THE DESIGN OF THE UNIX § 6-7

ГЛАВА 6. СТРУКТУРА ПРОЦЕССОВ

Вглаве 2 были сформулированы характеристики процессов. В настоящей главе на более формальном уровне определяется понятие «контекст процесса» и показывается, каким образом ядро идентифицирует процесс и определяет его местонахождение.

В разделе 6.1 описаны модель состояний процессов для системы UNIX и последовательность возможных переходов из состояния в состояние. В ядре находится таблица процессов, каждая запись которой описывает состояние одного из активных процессов в системе. В пространстве процесса хранится дополнительная информация, используемая в управлении протеканием процесса. Запись в таблице процессов и пространство процесса составляют в совокупности контекст процесса. Аспектом контекста процесса, наиболее явно отличающим данный контекст от контекста другого процесса, без сомнения является содержимое адресного пространства процесса.

В разделе 6.2 описываются принципы управления распределением памяти для процессов и ядра, а также взаимодействие операционной системы с аппаратными средствами при трансляции виртуальных адресов в физические.

Раздел 6.3 посвящен рассмотрению составных элементов контекста процесса, а также описанию алгоритмов управления контекстом процесса.

Раздел 6.4 демонстрирует, каким образом осуществляется сохранение контекста процесса ядром в случае прерывания, вызова системной функции или переключения контекста, а также каким образом возобновляется выполнение приостановленного процесса.

В разделе 6.5 приводятся различные алгоритмы, используемые в тех системных функциях, которые работают с адресным пространством процесса и которые будут рассмотрены в следующей главе.

В разделе 6.6 рассматриваются алгоритмы приостанова и возобновления выполнения процессов

6.1 СОСТОЯНИЕ ПРОЦЕССА И ПЕРЕХОДЫ МЕЖДУ НИМИ

Как уже отмечалось в главе 2, время жизни процесса можно теоретически разбить на несколько состояний, описывающих процесс. Полный набор состояний процесса содержится в следующем перечне:

• 1. Процесс выполняется в режиме задачи.

  2. Процесс выполняется в режиме ядра.

  3. Процесс не выполняется, но готов к запуску под управлением ядра.

  4. Процесс приостановлен и находится в оперативной памяти.

  5. Процесс готов к запуску, но программа подкачки (нулевой процесс) должна еще загрузить процесс в оперативную память, прежде чем он будет запущен под управлением ядра. Это состояние будет предметом обсуждения в главе 9 при рассмотрении системы подкачки.

  6. Процесс приостановлен и программа подкачки выгрузила его во внешнюю память, чтобы в оперативной памяти освободить место для других процессов.

  7. Процесс возвращен из привилегированного режима (режима ядра) в непривилегированный (режим задачи), ядро резервирует его и переключает контекст на другой процесс. Об отличии этого состояния от состояния 3 (готовность к запуску) пойдет речь ниже.

  8. Процесс вновь создан и находится в переходном состоянии; процесс существует, но не готов к выполнению, хотя и не приостановлен. Это состояние является начальным состоянием всех процессов, кроме нулевого.

  9. Процесс вызывает системную функцию exit и прекращает существование. Однако, после него осталась запись, содержащая код выхода, и некоторая хронометрическая статистика, собираемая родительским процессом. Это состояние является последним состоянием процесса.

Когда процесс выполняет вызов системной функции, он из состояния «выполнения в режиме задачи» переходит в состояние «выполнения в режиме ядра». Предположим, что системной функции требуется ввод-вывод с диска и поэтому процесс вынужден дожидаться завершения ввода-вывода. Он переходит в состояние «приостанова в памяти», в котором будет находиться до тех пор, пока не получит извещения об окончании ввода-вывода. Когда ввод- вывод завершится, произойдет аппаратное прерывание работы центрального процессора и программа обработки прерывания возобновит выполнение процесса, в результате чего он перейдет в состояние «готовности к запуску в памяти».

Предположим, что система выполняет множество процессов, которые одновременно никак не могут поместиться в оперативной памяти, и программа подкачки (нулевой процесс) выгружает один процесс, чтобы освободить место для другого процесса, находящегося в состоянии «готов к запуску, но выгружен». Первый процесс, выгруженный из оперативной памяти, переходит в то же состояние. Когда программа подкачки выбирает наиболее подходящий процесс для загрузки в оперативную память, этот процесс переходит в состояние «готовности к запуску в памяти». Планировщик выбирает процесс для исполнения и он переходит в состояние «выполнения в режиме ядра». Когда процесс завершается, он исполняет системную функцию exit, последовательно переходя в состояния «выполнения в режиме ядра» и, наконец, в состояние «прекращения существования».

Процесс может управлять некоторыми из переходов на уровне задачи.

Во-первых, один процесс может создать другой процесс. Тем не менее, в какое из состояний процесс перейдет после создания (т. е. в состояние «готов к выполнению, находясь в памяти» или в состояние «готов к выполнению, но выгружен») зависит уже от ядра. Процессу эти состояния не подконтрольны.

Во-вторых, процесс может обратиться к различным системным функциям, чтобы перейти из состояния «выполнения в режиме задачи» в состояние «выполнения в режиме ядра», а также перейти в режим ядра по своей собственной воле. Тем не менее, момент возвращения из режима ядра от процесса уже не зависит; в результате каких-то событий он может никогда не вернуться из этого режима и из него перейдет в состояние «прекращения существования» (см. раздел 7.2, где говорится о сигналах).

Наконец, процесс может завершиться с помощью функции exit по своей собственной воле, но как указывалось ранее, внешние события могут потребовать завершения процесса без явного обращения к функции exit. Все остальные переходы относятся к жестко закрепленной части модели, закодированной в ядре, и являются результатом определенных событий, реагируя на них в соответствии с правилами, сформулированными в этой и последующих главах. Некоторые из правил уже упоминались: например, то, что процесс может выгрузить другой процесс, выполняющийся в ядре.

Две принадлежащие ядру структуры данных описывают процесс: запись в таблице процессов и пространство процесса. Таблица процессов содержит поля, которые должны быть всегда доступны ядру, а пространство процесса — поля, необходимость в которых возникает только у выполняющегося процесса. Поэтому ядро выделяет место для пространства процесса только при создании процесса: в нем нет необходимости, если записи в таблице процессов не соответствует конкретный процесс.

Запись в таблице процессов состоит из следующих полей:

• • Поле состояния, которое идентифицирует состояние процесса.

  • Поля, используемые ядром при размещении процесса и его пространства в основной или внешней памяти. Ядро использует информацию этих полей для переключения контекста на процесс, когда процесс переходит из состояния «готов к выполнению, находясь в памяти» в состояние «выполнения в режиме ядра» или из состояния «резервирования» в состояние «выполнения в режиме задачи». Кроме того, ядро использует эту информацию при перекачки процессов из и в оперативную память (между двумя состояниями «в памяти» и двумя состояниями «выгружен»). Запись в таблице процессов содержит также поле, описывающее размер процесса и позволяющее ядру планировать выделение пространства для процесса.

  • Несколько пользовательских идентификаторов (UID), устанавливающих различные привилегии процесса. Поля UID, например, описывают совокупность процессов, могущих обмениваться сигналами (см. следующую главу).

  • Идентификаторы процесса (PID), указывающие взаимосвязь между процессами. Значения полей PIDзадаются при переходе процесса в состояние «создан» во время выполнения функции fork.

  • Дескриптор события (устанавливается тогда, когда процесс приостановлен). В данной главе будет рассмотрено использование дескриптора события в алгоритмах функций sleep и wakeup.

  • Параметры планирования, позволяющие ядру устанавливать порядок перехода процессов из состояния «выполнения в режиме ядра» в состояние «выполнения в режиме задачи».

  • Поле сигналов, в котором перечисляются сигналы, посланные процессу, но еще не обработанные (раздел 7.2).

  • Различные таймеры, описывающие время выполнения процесса и использование ресурсов ядра и позволяющие осуществлять слежение за выполнением и вычислять приоритет планирования процесса. Одно из полей является таймером, который устанавливает пользователь и который необходим для посылки процессу сигнала тревоги (раздел 8.3). Пространство процесса содержит поля, дополнительно характеризующие состояния процесса. В предыдущих главах были рассмотрены последние семь из приводимых ниже полей пространства процесса, которые мы для полноты вновь кратко перечислим:

  • Указатель на таблицу процессов, который идентифицирует запись, соответствующую процессу.

  • Пользовательские идентификаторы, устанавливающие различные привилегии процесса, в частности, права доступа к файлу (см. раздел 7.6).

  • Поля таймеров, хранящие время выполнения процесса (и его потомков) в режиме задачи и в режиме ядра.

  • Вектор, описывающий реакцию процесса на сигналы.

  • Поле операторского терминала, идентифицирующее «регистрационный терминал», который связан с процессом.

  • Поле ошибок, в которое записываются ошибки, имевшие место при выполнении системной функции.

  • Поле возвращенного значения, хранящее результат выполнения системной функции.

  • Параметры ввода-вывода: объем передаваемых данных, адрес источника (или приемника) данных в пространстве задачи, смещения в файле (которыми пользуются операции ввода- вывода) и т. д.

  • Имена текущего каталога и текущего корня, описывающие файловую систему, в которой выполняется процесс.

  • Таблица пользовательских дескрипторов файла, которая описывает файлы, открытые процессом.

  • Поля границ, накладывающие ограничения на размерные характеристики процесса и на размер файла, в который процесс может вести запись.

  • Поле прав доступа, хранящее двоичную маску установок прав доступа к файлам, которые создаются процессом. Пространство состояний процесса и переходов между ними рассматривалось в данном разделе на логическом уровне. Каждое состояние имеет также физические характеристики, управляемые ядром, в частности, виртуальное адресное пространство процесса. Следующий раздел посвящен описанию модели распределения памяти; в остальных разделах состояния процесса и переходы между ними рассматриваются на физическом уровне, особое внимание при этом уделяется состояниям «выполнения в режиме задачи», «выполнения в режиме ядра», «резервирования» и «приостанова (в памяти)». В следующей главе затрагиваются состояния «создания» и «прекращения существования», а в главе 8 — состояние «готовности к запуску в памяти». В главе 9 обсуждаются два состояния выгруженного процесса и организация подкачки по обращению.

6.2 ФОРМАТ ПАМЯТИ СИСТЕМЫ

Предположим, что физическая память машины имеет адреса, начиная с Ø и кончая адресом, равным объему памяти в байтах. Как уже отмечалось в главе 2, процесс в системе UNIX состоит из трех логических секций: команд, данных и стека. (Общую память, которая рассматривается в главе 11, можно считать в данном контексте частью секции данных). В секции команд хранится набор машинных инструкций, исполняемых под управлением процесса; адресами в секции команд выступают адреса команд (для команд перехода и обращений к подпрограммам), адреса данных (для обращения к глобальным переменным) и адреса стека (для обращения к структурам данных, которые локализованы в подпрограммах). Если адреса в сгенерированном коде трактовать как адреса в физической памяти, два процесса не смогут параллельно выполняться, если их адреса перекрываются. Компилятор мог бы генерировать адреса, непересекающиеся у разных программ, но на универсальных ЭВМ такой порядок не практикуется, поскольку объем памяти машины ограничен, а количество транслируемых программы неограничено. Даже если для того, чтобы избежать излишнего пересечения адресов в процессе их генерации, машина будет использовать некоторый набор эвристических процедур, подобная реализация не будет достаточно гибкой и не сможет удовлетворять предъявляемым к ней требованиям.

Поэтому компилятор генерирует адреса для виртуального адресного пространства заданного диапазона, а устройство управления памятью, называемое диспетчером памяти, транслирует виртуальные адреса, сгенерированные компилятором, в адреса ячеек, расположенных в физической памяти. Компилятору нет необходимости знать, в какое место в памяти ядро потом загрузит выполняемую программу. На самом деле, в памяти одновременно могут существовать несколько копий программы: все они могут выполняться, используя одни и те же виртуальные адреса, фактически же ссылаясь на разные физические ячейки. Те подсистемы ядра и аппаратные средства, которые сотрудничают в трансляции виртуальных адресов в физические, образуют подсистему управления памятью.

6.2.1 Области

Ядро в версии V делит виртуальное адресное пространство процесса на совокупность логических областей. Область — это непрерывная зона виртуального адресного пространства процесса, рассматриваемая в качестве отдельного объекта для совместного использования и защиты. Таким образом, команды, данные и стек обычно образуют автономные области, принадлежащие процессу. Несколько процессов могут использовать одну и ту же область. Например, если несколько процессов выполняют одну и ту же программу, вполне естественно, что они используют одну и ту же область команд. Точно так же, несколько процессов могут объединиться и использовать общую область разделяемой памяти.

Ядро поддерживает таблицу областей и выделяет запись в таблице для каждой активной области в системе. В разделе 6.5 описываются поля таблицы областей и операции над областями более подробно, но на данный момент предположим, что таблица областей содержит информацию, позволяющую определить местоположение области в физической памяти. Каждый процесс имеет частную таблицу областей процесса. Записи этой таблицы могут располагаться, в зависимости от конкретной реализации, в таблице процессов, в адресном пространстве процесса или в отдельной области памяти; для простоты предположим, что они являются частью таблицы процессов. Каждая запись частной таблицы областей содержит указатель на соответствующую запись общей таблицы областей и первый виртуальный адрес процесса в данной области. Разделяемые области могут иметь разные виртуальные адреса в каждом процессе. Запись частной таблицы областей также содержит поле прав доступа, в котором указывается тип доступа, разрешенный процессу: только чтение, только запись или только исполнение. Частная таблица областей и структура области аналогичны таблице файлов и структуре индекса в файловой системе: несколько процессов могут совместно использовать адресное пространство через область, подобно тому, как они разделяют доступ к файлу с помощью индекса; каждый процесс имеет доступ к области благодаря использованию записи в частной таблице областей, точно так же он обращается к индексу, используя соответствующие записи в таблице пользовательских дескрипторов файла и в таблице файлов, принадлежащей ядру.

Ядро устанавливает соотношение между виртуальными адресами области и машинными физическими адресами посредством отображения логических номеров страниц в области на физические номера страниц в машине, как это показано на Рисунке 6.4. Поскольку область это непрерывное пространство виртуальных адресов программы, логический номер страницы служит указателем на элемент массива физических номеров страниц. Запись таблицы областей содержит указатель на таблицу физических номеров страниц, именуемую таблицей страниц. Записи таблицы страниц содержат машинно-зависимую информацию, такую как права доступа на чтение или запись страницы. Ядро поддерживает таблицы страниц в памяти и обращается к ним так же, как и ко всем остальным структурам данных ядра.

На Рисунке 6.5 приведен пример отображения процесса в физические адреса памяти. Пусть размер страницы составляет 1 Кбайт и пусть процессу нужно обратиться к объекту в памяти, имеющему виртуальный адрес 68432. Из таблицы областей видно, что виртуальный адрес начала области стека — 65536 (64К), если предположить, что стек растет в направлении увеличения адресов. После вычитания этого адреса из адреса 68432 получаем смещение в байтах внутри области, равное 2896. Так как каждая страница имеет размер 1 Кбайт, адрес указывает со смещением 848 на 2-ю (начиная с Ø) страницу области, расположенной по физическому адресу 986К. В разделе 6.5.5 (где идет речь о загрузке области) рассматривается случай, когда запись таблицы страниц помечается «пустой».

В современных машинах используются разнообразные аппаратные регистры и кепи, которые повышают скорость выполнения вышеописанной процедуры трансляции адресов и без которых пересылки в памяти и адресные вычисления чересчур бы замедлились. Возобновляя выполнение процесса, ядро посредством загрузки соответствующих регистров сообщает техническим средствам управления памятью о том, в каких физических адресах выполняется процесс и где располагаются таблицы страниц. Поскольку такие операции являются машиннозависимыми и в разных версиях реализуются по-разному, здесь мы их рассматривать не будем. Часть вопросов, связанных с архитектурой вычислительных систем, затрагивается в упражнениях.

В некоторых системах ядро загружается в память таким образом, что большая часть виртуальных адресов ядра совпадает с физическими адресами и функция преобразования виртуальных адресов в физические превращается в функцию тождественности. Работа с пространством процесса, тем не менее, требует, чтобы преобразование виртуальных адресов в физические производилось ядром.

Предположим, например, что пространство процесса имеет размер 4 Кбайта и помещается по виртуальному адресу 2М. На Рисунке 6.7 показана карта памяти, где первые два регистра из группы относятся к программам и данным ядра (адреса и указатели не показаны), а третий регистр адресует к пространству процесса D. Если ядру нужно обратиться к пространству процесса А, оно копирует связанную с этим пространством информацию из соответствующей таблицы страниц в третий регистр. В любой момент третий регистр ядра описывает пространство текущего процесса, но ядро может сослаться на пространство другого процесса, переписав записи в таблице страниц с новым адресом. Информация в регистрах 1 и 2 для ядра неизменна, поскольку все процессы совместно используют программы и данные ядра.

6.3 КОНТЕКСТ ПРОЦЕССА

Контекст процесса включает в себя содержимое адресного пространства задачи, выделенного процессу, а также содержимое относящихся к процессу аппаратных регистров и структур данных ядра. С формальной точки зрения, контекст процесса объединяет в себе пользовательский контекст, регистровый контекст и системный контекст. Пользовательский контекст состоит из команд и данных процесса, стека задачи и содержимого совместно используемого пространства памяти в виртуальных адресах процесса. Те части виртуального адресного пространства процесса, которые периодически отсутствуют в оперативной памяти вследствие выгрузки или замещения страниц, также включаются в пользовательский контекст.

Регистровый контекст состоит из следующих компонент:

• • Счетчика команд, указывающего адрес следующей команды, которую будет выполнять центральный процессор; этот адрес является виртуальным адресом внутри пространства ядра или пространства задачи.

  • Регистра состояния процессора (PS), который указывает аппаратный статус машины по отношению к процессу. Регистр PS, например, обычно содержит под поля, которые указывают, является ли результат последних вычислений нулевым, положительным или отрицательным, переполнен ли регистр с установкой бита переноса и т. д. Операции, влияющие на установку регистра PS, выполняются для отдельного процесса, потому-то в регистре PS и содержится аппаратный статус машины по отношению к процессу. В других имеющих важное значение под полях регистра PSуказывается текущий уровень прерывания процессора, а также текущий и предыдущий режимы выполнения процесса (режим ядра/задачи). По значению под поля текущего режима выполнения процесса устанавливается, может ли процесс выполнять привилегированные команды и обращаться к адресному пространству ядра. ps (process status) — программа

  • Указателя вершины стека, в котором содержится адрес следующего элемента стека ядра или стека задачи, в соответствии с режимом выполнения процесса. В зависимости от архитектуры машины указатель вершины стека показывает на следующий свободный элемент стека или на последний используемый элемент. От архитектуры машины также зависит направление увеличения стека (к старшим или младшим адресам), но для нас сейчас эти вопросы несущественны.

  • Регистров общего назначения, в которых содержится информация, сгенерированная процессом во время его выполнения. Чтобы облегчить последующие объяснения, выделим среди них два регистра - регистр Ø и регистр 1 — для дополнительного использования при передаче информации между процессами и ядром.

Системный контекст процесса имеет «статическую часть» (первые три элемента в нижеследующем списке) и «динамическую часть» (последние два элемента). На протяжении всего времени выполнения процесс постоянно располагает одной статической частью системного контекста, но может иметь переменное число динамических частей. Динамическую часть системного контекста можно представить в виде стека, элементами которого являются контекстные уровни, которые помещаются в стек ядром или выталкиваются из стека при наступлении различных событий. Системный контекст включает в себя следующие компоненты:

• • Запись в таблице процессов, описывающая состояние процесса (раздел 6.1) и содержащая различную управляющую информацию, к которой ядро всегда может обратиться.

  • Часть адресного пространства задачи, выделенная процессу, где хранится управляющая информация о процессе, доступная только в контексте процесса. Общие управляющие параметры, такие как приоритет процесса, хранятся в таблице процессов, поскольку обращение к ним должно производиться за пределами контекста процесса.

  • Записи частной таблицы областей процесса, общие таблицы областей и таблицы страниц, необходимые для преобразования виртуальных адресов в физические, в связи с чем в них описываются области команд, данных, стека и другие области, принадлежащие процессу Если несколько процессов совместно используют общие области, эти области входят составной частью в контекст каждого процесса, поскольку каждый процесс работает с этими областями независимо от других процессов. В задачи управления памятью входит идентификация участков виртуального адресного пространства процесса, не являющихся резидентными в памяти.

  • Стек ядра, в котором хранятся записи процедур ядра, если процесс выполняется в режиме ядра. Несмотря на то, что все процессы пользуются одними и теми же программами ядра, каждый из них имеет свою собственную копию стека ядра для хранения индивидуальных обращений к функциям ядра. Пусть, например, один процесс вызывает функцию creat и приостанавливается в ожидании назначения нового индекса, а другой процесс вызывает функцию read и приостанавливается в ожидании завершения передачи данных с диска в память. Оба процесса обращаются к функциям ядра и у каждого из них имеется в наличии отдельный стек, в котором хранится последовательность выполненных обращений. Ядро должно иметь возможность восстанавливать содержимое стека ядра и положение указателя вершины стека для того, чтобы возобновлять выполнение процесса в режиме ядра. В различных системах стек ядра часто располагается в пространстве процесса, однако этот стек является логически- независимым и, таким образом, может помещаться в самостоятельной области памяти. Когда процесс выполняется в режиме задачи, соответствующий ему стек ядра пуст.

  • Динамическая часть системного контекста процесса, состоящая из нескольких уровней и имеющая вид стека, который освобождается от элементов в порядке, обратном порядку их поступления. На каждом уровне системного контекста содержится информация, необходимая для восстановления предыдущего уровня и включающая в себя регистровый контекст предыдущего уровня.

Ядро помещает контекстный уровень в стек при возникновении прерывания, при обращении к системной функции или при переключении контекста процесса. Контекстный уровень выталкивается из стека после завершения обработки прерывания, при возврате процесса в режим задачи после выполнения системной функции, или при переключении контекста. Таким образом, переключение контекста влечет за собой как помещение контекстного уровня в стек, так и извлечение уровня из стека: ядро помещает в стек контекстный уровень старого процесса, а извлекает из стека контекстный уровень нового процесса. Информация, необходимая для восстановления текущего контекстного уровня, хранится в записи таблицы процессов.

6.4.2 Взаимодействие с операционной системой через вызовы системных функций - System Call Interface

Такого рода взаимодействие с ядром было предметом рассмотрения в предыдущих главах, где шла речь об обычном вызове функций. Очевидно, что обычная последовательность команд обращения к функции не в состоянии переключить выполнения процесса с режима задачи на режим ядра. Компилятор с языка Си использует библиотеку функций, имена которых совпадают с именами системных функций, иначе ссылки на системные функции в пользовательских программах были бы ссылками на неопределенные имена. В библиотечных функциях обычно исполняется команда, переводящая выполнение процесса в режим ядра и побуждающая ядро к запуску исполняемого кода системной функции. В дальнейшем эта команда именуется «внутренним прерыванием операционной системы». Библиотечные процедуры исполняются в режиме задачи, а взаимодействие с операционной системой через вызов системной функции можно определить в нескольких словах как особый случай программы обработки прерывания. Библиотечные функции передают ядру уникальный номер системной функции одним из машинно-зависимых способов — либо как параметр внутреннего прерывания операционной системы, либо через отдельный регистр, либо через стек — а ядро таким образом определяет тип вызываемой функции.

Обрабатывая внутреннее прерывание операционной системы, ядро по номеру системной функции ведет в таблице поиск адреса соответствующей процедуры ядра, то есть точки входа системной функции, и количества передаваемых функции параметров (Рисунок 6.12). Ядро вычисляет адрес (пользовательский) первого параметра функции, прибавляя (или вычитая, в зависимости от направления увеличения стека) смещение к указателю вершины стека задачи (аналогично для всех параметров функции). Наконец, ядро копирует параметры задачи в пространство процесса и вызывает соответствующую процедуру, которая выполняет системную функцию. После исполнения процедуры ядро выясняет, не было ли ошибки. Если ошибка была, ядро делает соответствующие установки в сохраненном регистровом контексте задачи, при этом в регистре PS обычно устанавливается бит переноса, а в нулевой регистр заносится номер ошибки. Если при выполнении системной функции не было ошибок, ядро очищает в регистре PS бит переноса и заносит возвращаемые функцией значения в регистры Ø и 1 в сохраненном регистровом контексте задачи. Когда ядро возвращается после обработки внутреннего прерывания операционной системы в режим задачи, оно попадает в следующую библиотечную инструкцию после прерывания. Библиотечная функция интерпретирует возвращенные ядром значения и передает их программе пользователя.

алгоритм syscall /* алгоритм запуска системной функции */

входная информация: номер системной функции

выходная информация: результат системной функции {

найти запись в таблице системных функций, соответствующую указанному номеру функции;

определить количество параметров, передаваемых функции; скопировать параметры из адресного пространства задачи процесса;

в пространство

сохранить текущий контекст для аварийного завершения (см. раздел 6.44); запустить в ядре исполняемый код системной функции;

if (во время выполнения функции произошла ошибка) {

установить номер ошибки в нулевом регистре сохраненного регистрового контекста задачи;

включить бит переноса в регистре PS сохраненного регистрового контекста

задачи;

}

else

занести возвращаемые функцией значения в регистры 0 и 1 в сохраненном регистровом контексте задачи;

Рисунок 6.12. Алгоритм обращения к системным функциям

В качестве примера рассмотрим программу, которая создает файл с разрешением чтения и записи в него для всех пользователей (режим доступа 0666) и которая приведена в верхней части Рисунка 6.13. Далее на рисунке изображен отредактированный фрагмент сгенерированного кода программы после компиляции и дисассемблирования (создания по объектному коду эквивалентной программы на языке ассемблера) в системе Motorola 68000. На Рисунке 6.14 изображена конфигурация стека для системной функции создания. Компилятор генерирует программу помещения в стек задачи двух параметров, один из которых содержит установку прав доступа (0666), а другой — переменную «имя файла». Затем из адреса 64 процесс вызывает библиотечную функцию creat (адрес 7а), аналогичную соответствующей системной функции. Адрес точки возврата из функции 6а, этот адрес помещается процессом в стек. Библиотечная функция creat засылает в регистр Ø константу 8 и исполняет команду прерывания (trap), которая переключает процесс из режима задачи в режим ядра и заставляет его обратиться к системной функции. Заметив, что процесс вызывает системную функцию, ядро выбирает из регистра Ø номер функции (8) и определяет таким образом, что вызвана функция creat. Просматривая внутреннюю таблицу, ядро обнаруживает, что системной функции creat необходимы два параметра; восстанавливая регистровый контекст предыдущего уровня, ядро копирует параметры из пользовательского пространства в пространство процесса. Процедуры ядра, которым понадобятся эти параметры, могут найти их в определенных местах адресного пространства процесса. По завершении исполнения кода функции creat управление возвращается программе обработки обращений к операционной системе, которая проверяет, установлено ли поле ошибки в пространстве процесса (то есть имела ли место во время выполнения функции ошибка); если да, программа устанавливает в регистре PS бит переноса, заносит в регистр Ø код ошибки и возвращает управление ядру. Если ошибок не было, в регистры Ø и 1 ядро заносит код завершения. Возвращая управление из программы обработки обращений к операционной системе в режим задачи, библиотечная функция проверяет состояние бита переноса в регистре PS (по адресу 7): если бит установлен, управление передается по адресу 13с, из нулевого регистра выбирается код ошибки и помещается в глобальную переменную errno по адресу 20, в регистр Ø заносится -1, и управление возвращается на следующую после адреса 64 (где производится вызов функции) команду. Код завершения функции имеет значение -1, что указывает на ошибку в выполнении системной функции. Если же бит переноса в регистре PS при переходе из режима ядра в режим задачи имеет нулевое значение, процесс с адреса 7 переходит по адресу 86 и возвращает управление вызвавшей программе (адрес 64); регистр Ø содержит возвращаемое функцией значение.

6.4.3 Переключение контекста

Если обратиться к диаграмме состояний процесса (Рисунок 6.1), можно увидеть, что ядро разрешает производить переключение контекста в четырех случаях: когда процесс приостанавливает свое выполнение, когда он завершается, когда он возвращается после вызова системной функции в режим задачи, но не является наиболее подходящим для запуска, или когда он возвращается в режим задачи после завершения ядром обработки прерывания, но так же не является наиболее подходящим для запуска. Как уже было показано в главе 2, ядро поддерживает целостность и согласованность своих внутренних структур данных, запрещая произвольно переключать контекст. Прежде чем переключать контекст, ядро должно удостовериться в согласованности своих структур данных: то есть в том, что сделаны все необходимые корректировки, все очереди выстроены надлежащим образом, установлены соответствующие блокировки, позволяющие избежать вмешательства со стороны других процессов, что нет излишних блокировок и т. д. Например, если ядро выделяет буфер, считывает блок из файла и приостанавливает выполнение до завершения передачи данных с диска, оно оставляет буфер заблокированным, чтобы другие процессы не смогли обратиться к буферу. Но если процесс исполняет системную функцию link, ядро снимает блокировку с первого индекса перед тем, как снять ее со второго индекса, и тем самым предотвращает возникновение тупиковых ситуаций (взаимной блокировки).

Ядро выполняет переключение контекста по завершении системной функции exit, поскольку в этом случае больше ничего не остается делать. Кроме того, переключение контекста допускается, когда процесс приостанавливает свою работу, поскольку до момента возобновления может пройти немало времени, в течение которого могли бы выполняться другие процессы. Переключение контекста допускается и тогда, когда процесс не имеет преимуществ перед другими процессами при исполнении, с тем, чтобы обеспечить более справедливое планирование процессов: если по выходе процесса из системной функции или из прерывания обнаруживается, что существует еще один процесс, который имеет более высокий приоритет и ждет выполнения, то было бы несправедливо оставлять его в ожидании.

Процедура переключения контекста похожа на процедуры обработки прерываний и обращения к системным функциям, если не считать того, что ядро вместо предыдущего контекстного уровня текущего процесса восстанавливает контекстный уровень другого процесса. Причины, вызвавшие переключение контекста, при этом не имеют значения. На механизм переключения контекста не влияет и метод выбора следующего процесса для исполнения.

• 1. Принять решение относительно необходимости переключения контекста и его допустимости в данный момент.

  2. Сохранить контекст «прежнего» процесса.

  3. Выбрать процесс, наиболее подходящий для исполнения, используя алгоритм диспетчеризации процессов, приведенный в главе 8.

  4. Восстановить его контекст.

Рисунок 6.15. Последовательность шагов, выполняемых при переключении контекста

Текст программы, реализующей переключение контекста в системе UNIX, из всех программ операционной системы самый трудный для понимания, ибо при рассмотрении обращений к функциям создается впечатление, что они в одних случаях не возвращают управление, а в других — возникают непонятно откуда. Причиной этого является то, что ядро во многих системных реализациях сохраняет контекст процесса в одном месте программы, но продолжает работу, выполняя переключение контекста и алгоритмы диспетчеризации в контексте «прежнего» процесса. Когда позднее ядро восстанавливает контекст процесса, оно возобновляет его выполнение в соответствии с ранее сохраненным контекстом. Чтобы различать между собой те случаи, когда ядро восстанавливает контекст нового процесса, и когда оно продолжает исполнять ранее сохраненный контекст, можно варьировать значения, возвращаемые критическими функциями, или устанавливать искусственным образом текущее значение счетчика команд.

На Рисунке 6.16 приведена схема переключения контекста. Функция save_context сохраняет информацию о контексте исполняемого процесса и возвращает значение 1. Кроме всего прочего, ядро сохраняет текущее значение счетчика команд (в функции save_context) и значение Ø в нулевом регистре при выходе из функции. Ядро продолжает исполнять контекст «прежнего» процесса (А), выбирая для выполнения следующий процесс (В) и вызывая функцию resume_context для восстановления его контекста. После восстановления контекста система выполняет процесс В; прежний процесс (А) больше не исполняется, но он оставил после себя сохраненный контекст. Позже, когда будет выполняться переключение контекста, ядро снова изберет процесс А (если только, разумеется, он не был завершен). В результате восстановления контекста А ядро присвоит счетчику команд то значение, которое было сохранено процессом А ранее в функции save_context, и возвратит в регистре Ø значение Ø. Ядро возобновляет выполнение процесса А из функции save_context, пусть даже при выполнении программы переключения контекста оно не добралось еще до функции resume_context. В конечном итоге, процесс А возвращается из функции save_context со значением Ø (в нулевом регистре) и возобновляет выполнение после строки комментария «возобновление выполнение процесса начинается отсюда».

if (save context())

{ /* сохранение контекста выполняющегося процесса */

/* выбор следующего процесса для выполнения */

.

.

.

resume_context(new_process);

/* сюда программа не попадает! */

}

/* возобновление выполнение процесса начинается отсюда */

Рисунок 6.16. Псевдопрограмма переключения контекста

6.4.4 Сохранение контекста на случай аварийного завершения

Существуют ситуации, когда ядро вынуждено аварийно прерывать текущий порядок выполнения и немедленно переходить к исполнению ранее сохраненного контекста. В последующих разделах, где пойдет речь о приостановлении выполнения и о сигналах, будут описаны обстоятельства, при которых процессу приходится внезапно изменять свой контекст; в данном же разделе рассматривается механизм исполнения предыдущего контекста. Алгоритм сохранения контекста называется setjmp, а алгоритм восстановления контекста longjmp. Механизм работы алгоритма setjmp похож на механизм функции save_context, рассмотренный в предыдущем разделе, если не считать того, что функция save_context помещает новый контекстный уровень в стек, в то время как setjmp сохраняет контекст в пространстве процесса и после выхода из него выполнение продолжается в прежнем контекстном уровне. Когда ядру понадобится восстановить контекст, сохраненный в результате работы алгоритма setjmp, оно исполнит алгоритм longjmp, который восстанавливает контекст из пространства процесса и имеет, как и setjmp, код завершения, равный 1.

6.4.5 Копирование данных между адресным пространством системы и адресным пространством задачи

До сих пор речь шла о том, что процесс выполняется в режиме ядра или в режиме задачи без каких-либо перекрытий (пересечений) между режимами. Однако, при выполнении большинства системных функций, рассмотренных в последней главе, между пространством ядра и пространством задачи осуществляется пересылка данных, например, когда идет копирование параметров вызываемой функции из пространства задачи в пространство ядра или когда производится передача данных из буферов ввода-вывода в процессе выполнения функции read. На многих машинах ядро системы может непосредственно ссылаться на адреса, принадлежащие адресному пространству задачи. Ядро должно убедиться в том, что адрес, по которому производится запись или считывание, доступен, как будто бы работа ведется в режиме задачи; в противном случае произошло бы нарушение стандартных методов защиты и ядро, пусть неумышленно, стало бы обращаться к адресам, которые находятся за пределами адресного пространства задачи (и, возможно, принадлежат структурам данных ядра). Поэтому передача данных между пространством ядра и пространством задачи является «дорогим предприятием», требующим для своей реализации нескольких команд.

fubyte: # пересылка байта из пространства задачи

prober $3, $1, *4 (ар) # байт доступен?

beql eret # нет

movzbl *4 (ар) , rО

ret

eret:

mnegl $1, rO # возврат ошибки (-1)

ret

Рисунок 6.17. Пересылка данных из пространства задачи в пространство ядра в системе VAX

На Рисунке 6.17 показан пример реализованной в системе VАХ программы пересылки символа из адресного пространства задачи в адресное пространство ядра. Команда prober проверяет, может ли байт по адресу, равному (регистр указателя аргумента + 4), быть считан в режиме задачи (режиме 3), и если нет, ядро передает управление по адресу eret, сохраняет в нулевом регистре -1 и выходит из программы; при этом пересылки символа не происходит. В противном случае ядро пересылает один байт, находящийся по указанному адресу, в регистр Ø и возвращает его в вызывающую программу. Пересылка 1 символа потребовала пяти команд (включая вызов функции с именем fubyte).

6.5 УПРАВЛЕНИЕ АДРЕСНЫМ ПРОСТРАНСТВОМ ПРОЦЕССА

В этой главе мы пока говорили о том, каким образом осуществляется переключение контекста между процессами и как контекстные уровни запоминаются в стеке и выбираются из стека, представляя контекст пользовательского уровня как статический объект, не претерпевающий изменений при восстановлении контекста процесса. Однако, с виртуальным адресным пространством процесса работают различные системные функции и, как будет показано в следующей главе, выполняют при этом операции над областями. В этом разделе рассматривается информационная структура области; системные функции, реализующие операции над областями, будут рассмотрены в следующей главе.

• • Запись таблицы областей содержит информацию, необходимую для описания области. В частности, она включает в себя следующие поля:

  • Указатель на индекс файла, содержимое которого было первоначально загружено в область

  • Тип области (область команд, разделяемая память, область частных данных или стека)

  • Размер области

  • Местоположение области в физической памяти

  • Статус (состояние) области, представляющий собой комбинацию из следующих признаков:

  • заблокирована

  • запрошена

  • идет процесс ее загрузки в память

  • готова, загружена в память

  • Счетчик ссылок, в котором хранится количество процессов, ссылающихся на данную область.

К операциям работы с областями относятся: блокировка области, снятие блокировки с области, выделение области, присоединение области к пространству памяти процесса, изменение размера области, загрузка области из файла в пространство памяти процесса, освобождение области, отсоединение области от пространства памяти процесса и копирование содержимого области. Например, системная функция ехес, в которой содержимое исполняемого файла накладывается на адресное пространство задачи, отсоединяет старые области, освобождает их в том случае, если они не являются разделяемыми, выделяет новые области, присоединяет их и загружает содержимым файла. В остальной части раздела операции над областями описываются более детально с ориентацией на модель управления памятью, рассмотренную ранее (с таблицами страниц и группами аппаратных регистров), и с ориентацией на алгоритмы назначения страниц физической памяти и таблиц страниц (глава 9).

6.5.1 Блокировка области и снятие блокировки

Операции блокировки и снятия блокировки для области выполняются независимо от операций выделения и освобождения области, подобно тому, как операции блокирования- разблокирования индекса в файловой системе выполняются независимо от операций назначения-освобождения индекса (алгоритмы iget и iput). Таким образом, ядро может заблокировать и выделить область, а потом снять блокировку, не освобождая области. Точно также, когда ядру понадобится обратиться к выделенной области, оно сможет заблокиро-вать область, чтобы запретить доступ к ней со стороны других процессов, и позднее снять блокировку.

6.5.2 Выделение области

Ядро выделяет новую область (по алгоритму allocreg, Рисунок 6.18) во время выполнения системных функций fork, exec и shmget (получить разделяемую память). Ядро поддерживает таблицу областей, записям которой соответствуют точки входа либо в списке свободных областей, либо в списке активных областей. При выделении записи в таблице областей ядро выбирает из списка свободных областей первую доступную запись, включает ее в список активных областей, блокирует область и делает пометку о ее типе (разделяемая или частная). За некоторым исключением каждый процесс ассоциируется с исполняемым файлом (после того, как была выполнена команда ехес), и в алгоритме allocreg поле индекса в записи таблицы областей устанавливается таким образом, чтобы оно указывало на индекс исполняемого файла. Индекс идентифицирует область для ядра, поэтому другие процессы могут при желании разделять область. Ядро увеличивает значение счетчика ссылок на индекс, чтобы помешать другим процессам удалять содержимое файла при выполнении функции unlink, об этом еще будет идти речь в разделе 7.5. Результатом алгоритма allocreg является назначение и блокировка области.

алгоритм allocreg /* разместить информационную структуру области */ входная информация:

• 1. указатель индекса

  2. тип области

выходная информация: заблокированная область

{

выбрать область из списка свободных областей; назначить области тип;

присвоить значение указателю индекса; if (указатель индекса имеет ненулевое значение) увеличить значение счетчика ссылок на индекс; включить область в список активных областей; return (заблокированную область);

}

Рисунок 6.18. Алгоритм выделения области

6.5.3 Присоединение области к процессу

Ядро присоединяет область к адресному пространству процесса во время выполнения системных функций fork, ехес и shmat (алгоритм attachreg, Рисунок 6.19). Область может быть вновь назначаемой или уже существующей, которую процесс будет использовать совместно с другими процессами. Ядро выбирает свободную запись в частной таблице областей процесса, устанавливает в ней поле типа таким образом, чтобы оно указывало на область команд, данных, разделяемую память или область стека, и записывает виртуальный адрес, по которому область будет размещаться в адресном пространстве процесса. Процесс не должен выходить за предел установленного системой ограничения на максимальный виртуальный адрес, а виртуальные адреса новой области не должны пересекаться с адресами существующих уже областей. Например, если система ограничила максимально-допустимое значение виртуального адреса процесса 8 мегабайтами, то привязать область размером 1 мегабайт к виртуальному адресу 7.5М не удастся. Если же присоединение области допустимо, ядро увеличивает значение поля, описывающего размер области процесса в записи таблицы процессов, на величину присоединяемой области, а также увеличивает значение счетчика ссылок на область.

Кроме того, в алгоритме attachreg устанавливаются начальные значения группы регистров управления памятью, выделенных процессу. Если область ранее не присоединялась к какому- либо процессу, ядро с помощью функции growreg (см. следующий раздел) заводит для области новые таблицы страниц; в противном случае используются уже существующие таблицы страниц. Алгоритм завершает работу, возвращая указатель на точку входа в частную таблицу областей процесса, соответствующую вновь присоединенной области. Допустим, например, что ядру нужно подключить к процессу по виртуальному адресу Ø существующую (разделяемую) область, имеющую размер 7 Кбайт (Рисунок 6.20). Оно выделяет новую группу регистров управления памятью и заносит в них адрес таблицы страниц области, виртуальный адрес области в пространстве процесса (Ø) и размер таблицы страниц (9 записей).

алгоритм attachreg /* присоединение области к процессу */ входная информация:

• 1. указатель на присоединяемую область (заблокированную)

  2. процесс, к которому присоединяется область

  3. виртуальный адрес внутри процесса, по которому будет присоединена область

  4. тип области

выходная информация: точка входа в частную таблицу областей процесса {

выделить новую запись в частной таблице областей процесса; проинициализировать значения полей записи:

установить указатель на присоединяемую область; установить тип области; установить виртуальный адрес области; проверить правильность указания виртуального адреса и размера области; увеличить значение счетчика ссылок на область; увеличить размер процесса с учетом присоединения области; записать начальные значения в новую группу аппаратных регистров; return (точку входа в частную таблицу областей процесса);

}

Рисунок 6.19. Алгоритм присоединения области

6.5.4 Изменение размера области

Процесс может расширять или сужать свое виртуальное адресное пространство с помощью функции sbrk. Точно так же и стек процесса расширяется автоматически (то есть для этого процессу не нужно явно обращаться к определенной функции) в соответствии с глубиной вложенности обращений к подпрограммам. Изменение размера области производится внутри ядра по алгоритму growreg (Рисунок 6.21). При расширении области ядро проверяет, не будут ли виртуальные адреса расширяемой области пересекаться с адресами какой-нибудь другой области и не повлечет ли расширение области за собой выход процесса за пределы максимально-допустимого виртуального пространства памяти. Ядро никогда не использует алгоритм growreg для увеличения размера разделяемой области, уже присоединенной к нескольким процессам; поэтому оно не беспокоится о том, не приведет ли увеличение размера области для одного процесса к превышению другим процессом системного ограничения, накладываемого на размер процесса. При работе с существующей областью ядро использует алгоритм growreg в двух случаях: выполняя функцию sbrk по отношению к области данных процесса и реализуя автоматическое увеличение стека задачи. Обе эти области (данных и стека) частного типа. Области команд и разделяемой памяти после инициализации не могут расширяться. Этот момент будет пояснен в следующей главе.

6.5.5 Загрузка области

Предположим, например, что область стека процесса начинается с виртуального адреса 128К и имеет размер 6 Кбайт и что ядру нужно расширить эту область на 1 Кбайт (1 страницу). Если размер процесса позволяет это делать и если виртуальные адреса в диапазоне от 134К до 135К-1 не принадлежат какой-либо области, ранее присоединенной к процессу, ядро увеличивает размер стека. При этом ядро расширяет таблицу страниц, выделяет новую страницу памяти и инициализирует новую запись таблицы. Этот случай проиллюстрирован с помощью Рисунка 6.22

В системе, где поддерживается подкачка страниц по обращению, ядро может «отображать» файл в адресное пространство процесса во время выполнения функции ехес, подготавливая последующее чтение по запросу отдельных физических страниц (см. главу 9). Если же подкачка страниц по обращению не поддерживается, ядру приходится копировать исполняемый файл в память, загружая области процесса по указанным в файле виртуальным адресам. Ядро может присоединить область к разным виртуальным адресам, по которым будет загружаться содержимое файла, создавая таким образом «разрыв» в таблице страниц (вспомним Рисунок 6.20). Эта возможность может пригодиться, например, когда требуется проявлять ошибку памяти (memory fault) в случае обращения пользовательских программ к нулевому адресу (если последнее запрещено). Переменные указатели в программах иногда задаются неверно (отсутствует проверка их значений на равенство Ø) и в результате не могут использоваться в качестве указателей адресов. Если страницу с нулевым адресом соответствующим образом защитить, процессы, случайно обратившиеся к этому адресу, натолкнутся на ошибку и будут аварийно завершены, и это ускорит обнаружение подобных ошибок в программах.

алгоритм growreg /* изменение размера области */ входная информация:

(1) указатель на точку входа в частной таблице областей процесса (2) величина, на которую нужно изменить размер области (может быть как положительной, так и отрицательной) выходная информация: отсутствует

{

if (размер области увеличивается) { проверить допустимость нового размера области; выделить вспомогательные таблицы (страниц);

if (в системе не поддерживается замещение страниц по обращению) { выделить дополнительную память;

проинициализировать при необходимости значения полей в дополнительных

таблицах;

else { /* размер области уменьшается */ освободить физическую память; освободить вспомогательные таблицы;

}

провести в случае необходимости инициализацию других вспомогательных таблиц; переустановить значение поля размера в таблице процессов;

Рисунок 6.21. Алгоритм изменения размера области

При загрузке файла в область алгоритм loadreg (Рисунок 6.23) проверяет разрыв между виртуальным адресом, по которому область присоединяется к процессу, и виртуальным адресом, с которого располагаются данные области, и расширяет область в соответствии с требуемым объемом памяти. Затем область переводится в состояние «загрузки в память», при котором данные для области считываются из файла в память с помощью встроенной модификации алгоритма системной функции read.

Если ядро загружает область команд, которая может разделяться несколькими процессами, возможна ситуация, когда процесс попытается воспользоваться областью до того, как ее содержимое будет полностью загружено, так как процесс загрузки может приостановиться во время чтения файла. Подробно о том, как это происходит и почему при этом нельзя использовать блокировки, мы поговорим, когда будем вести речь о функции ехес в следующей главе и в главе 9. Чтобы устранить эту проблему, ядро проверяет статус области и не разрешает к ней доступ до тех пор, пока загрузка области не будет закончена. По завершении реализации алгоритма loadreg ядро возобновляет выполнение всех процессов, ожидающих окончания загрузки области, и изменяет статус области («готова, загружена в память»).

Предположим, например, что ядру нужно загрузить текст размером 7К в область, присоединенную к процессу по виртуальному адресу Ø, но при этом оставить промежуток размером 1 Кбайт от начала области (Рисунок 6.24). К этому времени ядро уже выделило запись в таблице областей и присоединило область по адресу Ø с помощью алгоритмов allocreg и attachreg. Теперь же ядро запускает алгоритм loadreg, в котором действия алгоритма growreg выполняются дважды — во-первых, при выделении в начале области промежутка в 1 Кбайт, и во-вторых, при выделении места для содержимого области — и алгоритм growreg назначает для области таблицу страниц. Затем ядро заносит в соответствующие поля пространства процесса установочные значения для чтения данных из файла: считываются 7 Кбайт, начиная с адреса, указанного в виде смещения внутри файла (параметр алгоритма), и записываются в виртуальное пространство процесса по адресу 1К.

алгоритм loadreg /* загрузка части файла в область */

входная информация:

указатель на точку входа в частную таблицу областей процесса

виртуальный адрес загрузки

указатель индекса файла

смещение в байтах до начала считываемой части файла

объем загружаемых данных в байтах

выходная информация: отсутствует

{

увеличить размер области до требуемой величины (алгоритм growreg); записать статус области как «загружаемой в память»; снять блокировку с области;

установить в пространстве процесса значения параметров чтения из файла: виртуальный адрес, по которому будут размещены считываемые данные; смещение до начала считываемой части файла;

объем данных, считываемых из файла, в байтах;

загрузить файл в область (встроенная модификация алгоритма read); заблокировать область;

записать статус области как «полностью загруженной в память»;

возобновить выполнение всех процессов, ожидающих окончания загрузки области;

}

Рисунок 6.23. Алгоритм загрузки данных области из файла

6.5.6 Освобождение области

Если область не присоединена уже ни к какому процессу, она может быть освобождена ядром и возвращена в список свободных областей (Рисунок 6.25). Если область связана с индексом, ядро освобождает и индекс с помощью алгоритма iput, учитывая значение счетчика ссылок на индекс, установленное в алгоритме allocreg. Ядро освобождает все связанные с областью физические ресурсы, такие как таблицы страниц и собственно страницы физической памяти. Предположим, например, что ядру нужно освободить область стека, описанную на Рисунке 6.22. Если счетчик ссылок на область имеет нулевое значение, ядро освободит 7 страниц физической памяти вместе с таблицей страниц.

алгоритм detachreg /* отсоединить область от процесса */

входная информация: указатель на точку входа в частной таблице областей

процесса

выходная информация: отсутствует

{

обратиться к вспомогательным таблицам процесса, имеющим отношение к распределению памяти, освободить те из них, которые связаны с областью;

уменьшить размер процесса;

уменьшить значение счетчика ссылок на область;

if (значение счетчика стало нулевым и область не является неотъемлемой частью процесса)

освободить область (алгоритм freereg);

else { /* либо значение счетчика отлично от 0, либо область является

неотъемлемой частью процесса */

снять блокировку с индекса (ассоциированного с областью); снять блокировку с области;

Рисунок 6.26. Алгоритм отсоединения области

6.5.7 Отсоединение области от процесса

Ядро отсоединяет области при выполнении системных функций ехес, exit и shmdt (отсоединить разделяемую память). При этом ядро корректирует соответствующую запись и разъединяет связь с физической памятью, делая недействительными связанные с областью регистры управления памятью (алгоритм detachreg, Рисунок 6.26). Механизм преобразования адресов после этого будет относиться уже к процессу, а не к области (как в алгоритме freereg). Ядро уменьшает значение счетчика ссылок на область и значение поля, описывающего размер процесса в записи таблицы процессов, в соответствии с размером области. Если значение счетчика становится равным Ø и если нет причины оставлять область без изменений (область не является областью разделяемой памяти или областью команд с признаками неотъемлемой части процесса, о чем будет идти речь в разделе 7.5), ядро освобождает область по алгоритму freereg. В противном случае ядро снимает с индекса и с области блокировку, установленную для того, чтобы предотвратить конкуренцию между параллельно выполняющимися процессами (см. раздел 7.5), но оставляет область и ее ресурсы без изменений.

Системная функция fork требует, чтобы ядро скопировало содержимое областей процесса. Если же область разделяемая (разделяемый текст команд или разделяемая память), ядру нет надобности копировать область физически; вместо этого оно увеличивает значение счетчика ссылок на область, позволяя родительскому и порожденному процессам использовать область совместно. Если область не является разделяемой и ядру нужно физически копировать ее содержимое, оно выделяет новую запись в таблице областей, новую таблицу страниц и отводит под создаваемую область физическую память. В качестве примера рассмотрим Рисунок 6.27, где процесс А порождает с помощью функции fork процесс В и копирует области родительского процесса. Область команд процесса А является разделяемой, поэтому процесс В может использовать эту область совместно с процессом А. Однако области данных и стека родительского процесса являются его личной принадлежностью (имеют частный тип), поэтому процессу В нужно скопировать их содержимое во вновь выделенные области. При этом даже для областей частного типа физическое копирование области не всегда необходимо, в чем мы убедимся позже (глава 9). На Рисунке 6.28 приведен алгоритм копирования содержимого области (dupreg).

6.6.2 Алгоритмы приостанова и возобновления выполнения

Еще одно противоречие связано с тем, что на один и тот же адрес могут отображаться несколько событий. На Рисунке 6.30, например, события «освобождение буфера» и «завершение ввода-вывода» отображаются на адрес буфера («адрес А»). Когда ввод-вывод в буфер завершается, ядро возобновляет выполнение всех процессов, приостановленных в ожидании наступления как того, так и другого события. Поскольку процесс, ожидающий завершения ввода-вывода, удерживает буфер заблокированным, другие процессы, которые ждали освобождения буфера, вновь приостановятся, ибо буфер все еще занят. Функционирование системы было бы более эффективным, если бы отображение событий на адреса было однозначным. Однако на практике такого рода противоречие на производительности системы не отражается, поскольку отображение на один адрес более одного события имеет место довольно редко, а также поскольку выполняющийся процесс обычно освобождает заблокированные ресурсы до того, как начнут выполняться другие процессы. Стилистически, тем не менее, механизм функционирования ядра стал бы более понятен, если бы отображение было однозначным.

алгоритм sleep входная информация:

• 1. адрес приостанова

  2. приоритет выходная информация:

1, если процесс возобновляется по сигналу, который ему удалось уловить;

вызов алгоритма longjump, если процесс возобновляется по сигналу, который ему не удалось уловить;

0 — во всех остальных случаях;

{

поднять приоритет работы процессора таким образом, чтобы заблокировать все прерывания;

перевести процесс в состояние приостанова;

включить процесс в хеш-очередь приостановленных процессов, базирующуюся на адресах приостанова;

сохранить адрес приостанова в таблице процессов; сделать ввод для процесса приоритетным;

if (приостанов процесса НЕ допускает прерываний) { выполнить переключение контекста;

/* с этого места процесс возобновляет выполнение, когда «пробуждается» */ снизить приоритет работы процессора так, чтобы вновь разрешить прерывания (как было до приостанова процесса);

return (0) ;

}

/* приостанов процесса принимает прерывания, вызванные сигналами */ if (к процессу не имеет отношения ни один из сигналов) { выполнить переключение контекста;

/* с этого места процесс возобновляет выполнение, когда «пробуждается» */ if (к процессу не имеет отношения ни один из сигналов) {

восстановить приоритет работы процессора таким, каким он был в момент приостанова процесса; return (0);

удалить процесс из хеш-очереди приостановленных процессов, если он все еще находится там;

восстановить приоритет работы процессора таким, каким он был в момент приостанова процесса;

if (приоритет приостановленного процесса позволяет принимать сигналы) return

(1) ;

запустить алгоритм longjump;

Рисунок 6.31. Алгоритм приостанова процесса

На Рисунке 6.31 приведен алгоритм приостанова процесса. Сначала ядро повышает приоритет работы процессора так, чтобы заблокировать все прерывания, которые могли бы (путем создания конкуренции) помешать работе с очередями приостановленных процессов, и запоминает старый приоритет, чтобы восстановить его, когда выполнение процесса будет возобновлено. Процесс получает пометку «приостановленного», адрес приостанова и приоритет запоминаются в таблице процессов, а процесс помещается в хеш-очередь приостановленных процессов. В простейшем случае (когда приостанов не допускает прерываний) процесс выполняет переключение контекста и благополучно «засыпает». Когда приостановленный процесс «пробуждается», ядро начинает планировать его запуск: процесс возвращает сохраненный в алгоритме sleep контекст, восстанавливает старый приоритет работы процессора (который был у него до начала выполнения алгоритма) и возвращает управление ядру.

алгоритм wakeup /* возобновление приостановленного процесса */ входная информация:

адрес приостанова выходная информация: отсутствует

{

повысить приоритет работы процессора таким образом, чтобы заблокировать все прерывания;

найти хеш-очередь приостановленных процессов с указанным адресом приостанова;

for (каждого процесса, приостановленного по указанному адресу) { удалить процесс из хеш-очереди;

сделать пометку о том, что процесс находится в состоянии «готовности к запуску»;

включить процесс в список процессов, готовых к запуску (для планировщика процессов);

очистить поле, содержащее адрес приостанова, в записи таблицы процессов; if (процесс не загружен в память) возобновить выполнение программы подкачки (нулевой процесс);

else if (возобновляемый процесс более подходит для исполнения, чем ныне выполняющийся)

установить соответствующий флаг для планировщика;

}

восстановить первоначальный приоритет работы процессора;

}

Рисунок 6.32. Алгоритм возобновления приостановленного процесса

Чтобы возобновить выполнение приостановленных процессов, ядро обращается к алгоритму wakeup (Рисунок 6.32), причем делает это как во время исполнения алгоритмов реализации стандартных системных функций, так и в случае обработки прерываний. Алгоритм iput, например, освобождает заблокированный индекс и возобновляет выполнение всех процессов, ожидающих снятия блокировки. Точно так же и программа обработки прерываний от диска возобновляет выполнение процессов, ожидающих завершения ввода-вывода. В алгоритме wakeup ядро сначала повышает приоритет работы процессора, чтобы заблокировать прерывания. Затем для каждого процесса, приостановленного по указанному адресу, выполняются следующие действия: делается пометка в поле, описывающем состояние процесса, о том, что процесс готов к запуску; процесс удаляется из списка приостановленных процессов и помещается в список процессов, готовых к запуску; поле в записи таблицы процессов, содержащее адрес приостанова, очищается. Если возобновляемый процесс не загружен в память, ядро запускает процесс подкачки, обеспечивающий подкачку возобновляемого процесса в память (подразумевается система, в которой подкачка страниц по обращению не поддерживается); в противном случае, если возобновляемый процесс более подходит для исполнения, чем ныне выполняющийся, ядро устанавливает для планировщика специальный флаг, сообщающий о том, что процессу по возвращении в режим задачи следует пройти через алгоритм планирования (глава 8). Наконец, ядро восстанавливает первоначальный приоритет работы процессора. При этом на ядро не оказывается никакого давления: «пробуждение» (wakeup) процесса не вызывает его немедленного исполнения; благодаря «пробуждению», процесс становится только доступным для запуска.

Все, о чем говорилось выше, касается простейшего случая выполнения алгоритмов sleep и wakeup, поскольку предполагается, что процесс приостанавливается до наступления соответствующего события. Во многих случаях процессы приостанавливаются в ожидании событий, которые «должны» наступить, например, в ожидании освобождения ресурса (индексов или буферов) или в ожидании завершения ввода-вывода, связанного с диском. Уверенность процесса в неминуемом возобновлении основана на том, что подобные ресурсы могут быть предоставлены только во временное пользование. Тем не менее, иногда процесс может приостановиться в ожидании события, не будучи уверенным в неизбежном наступлении последнего, в таком случае у процесса должна быть возможность в любом случае вернуть себе управление и продолжить выполнение. В подобных ситуациях ядро немедленно нарушает «сон» приостановленного процесса, посылая ему сигнал. Более подробно о сигналах мы поговорим в следующей главе; здесь же примем допущение, что ядро может (выборочно) возобновлять приостановленные процессы по сигналу и что процесс может распознавать получаемые сигналы.

Например, если процесс обратился к системной функции чтения с терминала, ядро не будет в состоянии выполнить запрос процесса до тех пор, пока пользователь не введет данные с клавиатуры терминала (глава 10). Тем не менее, пользователь, запустивший процесс, может оставить терминал на весь день, при этом процесс останется приостановленным в ожидании ввода, а терминал может понадобиться другому пользователю. Если другой пользователь прибегнет к решительным мерам (таким как выключение терминала), ядро должно иметь возможность восстановить отключенный процесс: в качестве первого шага ядру следует возобновить приостановленный процесс по сигналу. В том, что процессы могут приостановиться на длительное время, нет ничего плохого. Приостановленный процесс занимает позицию в таблице процессов и может поэтому удлинять время поиска (ожидания) путем выполнения определенных алгоритмов, которые не занимают время центрального процессора и поэтому выполняются практически незаметно.

Чтобы как-то различать между собой состояния приостанова, ядро устанавливает для приостанавливаемого процесса (при входе в это состояние) приоритет планирования на основании соответствующего параметра алгоритма sleep. То есть ядро запускает алгоритм sleep с параметром «приоритет», в котором отражается наличие уверенности в неизбежном наступлении ожидаемого события. Если приоритет превышает пороговое значение, процесс не будет преждевременно выходить из приостанова по получении сигнала, а будет продолжать ожидать наступления события. Если же значение приоритета ниже порогового, процесс будет немедленно возобновлен по получении сигнала.

Проверка того, имеет ли процесс уже сигнал при входе в алгоритм sleep, позволяет выяснить, приостанавливался ли процесс ранее. Например, если значение приоритета в вызове алгоритма sleepпревышает пороговое значение, процесс приостанавливается в ожидании выполнения алгоритма wakeup. Если же значение приоритета ниже порогового, выполнение процесса не приостанавливается, но на сигнал процесс реагирует точно так же, как если бы он был приостановлен. Если ядро не проверит наличие сигналов перед приостановом, возможна опасность, что сигнал больше не поступит вновь и в этом случае процесс никогда не возобновится.

Когда процесс «пробуждается» по сигналу (или когда он не переходит в состояние приостанова из-за наличия сигнала), ядро может выполнить алгоритм longjump (в зависимости от причины, по которой процесс был приостановлен). С помощью алгоритма longjump ядро восстанавливает ранее сохраненный контекст, если нет возможности завершить выполняемую системную функцию. Например, если из-за того, что пользователь отключил терминал, было прервано чтение данных с терминала, функция read не будет завершена, но возвратит признак ошибки. Это касается всех системных функций, которые могут быть прерваны во время приостанова. После выхода из приостанова процесс не сможет нормально продолжаться, поскольку ожидаемое событие не наступило. Перед выполнением большинства системных функций ядро сохраняет контекст процесса, используя алгоритм setjump и вызывая тем самым необходимость в последующем выполнении алгоритма longjump.

Встречаются ситуации, когда ядро требует, чтобы процесс возобновился по получении сигнала, но не выполняет алгоритм longjump. Ядро запускает алгоритм sleep со специальным значением параметра «приоритет», подавляющим исполнение алгоритма longjump и заставляющим алгоритм sleep возвращать код, равный 1. Такая мера более эффективна по сравнению с немедленным выполнением алгоритма setjump перед вызовом sleep и последующим выполнением алгоритма longjump для восстановления первоначального контекста процесса. Задача заключается в том, чтобы позволить ядру очищать локальные структуры данных. Драйвер устройства, например, может выделить свои частные структуры данных и приостановиться с приоритетом, допускающим прерывания; если по сигналу его работа возобновляется, он освобождает выделенные структуры, а затем выполняет алгоритм longjump, если необходимо. Пользователь не имеет возможности проконтролировать, выполняет ли процесс алгоритм longjump; выполнение этого алгоритма зависит от причины приостановки процесса, а также от того, требуют ли структуры данных ядра внесения изменений перед выходом из системной функции.

6.7 ВЫВОДЫ

Мы завершили рассмотрение контекста процесса. Процессы в системе UNIX могут находиться в различных логических состояниях и переходить из состояния в состояние в соответствии с установленными правилами перехода, при этом информация о состоянии сохраняется в таблице процессов и в адресном пространстве процесса. Контекст процесса состоит из пользовательского контекста и системного контекста. Пользовательский контекст состоит из программ процесса, данных, стека задачи и областей разделяемой памяти, а системный контекст состоит из статической части (запись в таблице процессов, адресное пространство процесса и информация, необходимая для отображения адресного пространства) и динамической части (стек ядра и сохраненное состояние регистров предыдущего контекстного уровня системы), которые запоминаются в стеке и выбираются из стека при выполнении процессом обращений к системным функциям, при обработке прерываний и при переключениях контекста. Пользовательский контекст процесса распадается на отдельные области, которые представляют собой непрерывные участки виртуального адресного пространства и трактуются как самостоятельные объекты использования и защиты. В модели управления памятью, которая использовалась при описании формата виртуального адресного пространства процесса, предполагалось наличие у каждой области процесса своей таблицы страниц. Ядро располагает целым набором различных алгоритмов для работы с областями. В заключительной части главы были рассмотрены алгоритмы приостанова (sleep) и возобновления (wakeup) процессов. Структуры и алгоритмы, описанные в данной главе, будут использоваться в последующих главах при рассмотрении системных функций управления процессами и планирования их выполнения, а также при объяснении различных методов распределения памяти.

6.8 УПРАЖНЕНИЯ

• 1. Составьте алгоритм преобразования виртуальных адресов в физические, на входе которого задаются виртуальный адрес и адрес точки входа в частную таблицу областей.

  2. В машинах AT&T ЗВ2 и NSC серии 32000 используется двухуровневая схема трансляции виртуальных адресов в физические (с сегментацией). То есть в системе поддерживается указатель на таблицу страниц, каждая запись которой может адресовать фиксированную часть адресного пространства процесса по смещению в таблице. Сравните алгоритм трансляции виртуальных адресов на этих машинах с алгоритмом, изложенным в тексте при обсуждении модели управления памятью. Подумайте над проблемами производительности и потребности в памяти для размещения вспомогательных таблиц.

  3. В архитектуре системы VAX-11 поддерживаются два набора регистров защиты памяти, используемых машиной в процессе трансляции пользовательских адресов. Механизм трансляции используется тот же, что и в предыдущем пункте, за одним исключением: указателей на таблицу страниц здесь два. Если процесс располагает тремя областями — команд, данных и стека — то каким образом, используя два набора регистров, следует производить отображение областей на таблицы страниц? Увеличение стека в архитектуре системы VAX-11 идет в направлении младших виртуальных адресов. Какой тогда вид имела бы область стека? В главе 11 будет рассмотрена область разделяемой памяти: как она может быть реализована в архитектуре системы VAX-11?

  4. Составьте алгоритм выделения и освобождения страниц памяти и таблиц страниц. Какие структуры данных следует использовать, чтобы достичь наивысшей производительности или наибольшей простоты реализации алгоритма?

  5. Устройство управления памятью МС68451 для семейства микропроцессоров Motorola 68000 допускает выделение сегментов памяти размером от 256 байт до 16 мегабайт. Каждое (физическое) устройство управления памятью поддерживает 32 дескриптора сегментов. Опишите эффективный метод выделения памяти для этого случая. Каким образом осуществлялась бы реализация областей?

  6. Рассмотрим отображение виртуальных адресов, представленное на Рисунке 6.5. Предположим, что ядро выгружает процесс (в системе с подкачкой процессов) или откачивает в область стека большое количество страниц (в системе с замещением страниц). Если через какое- то время процесс обратится к виртуальному адресу 68432, будет ли он должен обратиться к соответствующей ячейке физической памяти, из которой он считывал данные до того, как была выполнена операция выгрузки (откачки)? Если нижние уровни системы управления памятью реализуются с использованием таблицы страниц, следует ли эти таблицы располагать в тех же, что и сами страницы, местах физической памяти?

*7. Можно реализовать систему, в которой стек ядра располагается над вершиной стека задачи. Подумайте о достоинствах и недостатках подобной системы.

• 1. Каким образом, присоединяя область к процессу, ядро может проверить то, что эта область не накладывается на виртуальные адреса областей, уже присоединенных к процессу?

  2. Обратимся к алгоритму переключения контекста. Допустим, что в системе готов к выполнению только один процесс. Другими словами, ядро выбирает для выполнения процесс с только что сохраненным контекстом. Объясните, что произойдет при этом.

  3. Предположим, что процесс приостановился, но в системе нет процессов, готовых к выполнению. Что произойдет, когда приостановившийся процесс переключит контекст?

  4. Предположим, что процесс, выполняемый в режиме задачи, израсходовал выделенный ему квант времени и в результате прерывания по таймеру ядро выбирает для выполнения новый процесс. Объясните, почему переключение контекста произойдет на системном контекстном уровне 2.

  5. В системе с замещением страниц процесс, выполняемый в режиме задачи, может столкнуться с отсутствием нужной страницы, которая не была загружена в память. В ходе обработки прерывания ядро считывает страницу из области подкачки и приостанавливается. Объясните, почему переключение контекста (в момент приостанова) произойдет на системном контекстном уровне 2.

  6. Процесс использует системную функцию read с форматом вызова read(fd,buf,1024);

в системе с замещением страниц памяти. Предположим, что ядро исполняет алгоритм read для считывания данных в системный буфер, однако при попытке копирования данных в адресное пространство задачи сталкивается с отсутствием нужной страницы, содержащей структуру buf, вследствие того, что она была ранее выгружена из памяти. Ядро обрабатывает возникшее прерывание, считывая отсутствующую страницу в память. Что происходит на каждом из системных контекстных уровней? Что произойдет, если программа обработки прерывания приостановится в ожидании завершения считывания страницы?

• 1. Что произошло бы, если бы во время копирования данных из адресного пространства задачи в память ядра (Рисунок 6.17) обнаружилось, что указанный пользователем адрес неверен?

*15. При выполнении алгоритмов sleep и wakeup ядро повышает приоритет работы процессора так, чтобы не допустить прерываний, препятствующих ей. Какие отрицательные последствия могли бы возникнуть, если бы ядро не предпринимало этих действий? (Намек: ядро зачастую возобновляет приостановленные процессы прямо из программ обработки прерываний).

*16. Предположим, что процесс пытается приостановиться до наступления события А, но, запуская алгоритм sleep, еще не заблокировал прерывания; допустим, что в этот момент происходит прерывание и программа его обработки пытается возобновить все процессы, приостановленные до наступления события А. Что случится с первым процессом? Не представляет ли эта ситуация опасность? Если да, то может ли ядро избежать ее возникновения?

• 1. Что произойдет, если ядро запустит алгоритм wakeup для всех процессов, приостановленных по адресу А, в то время, когда по этому адресу не окажется ни одного приостановленного процесса?

  2. По одному адресу может приостановиться множество процессов, но ядру может потребоваться возобновление только некоторых из них — тех, которым будет послан соответствующий сигнал. С помощью механизма посылки сигналов можно идентифицировать отдельные процессы. Подумайте, какие изменения следует произвести в алгоритме wakeup для того, чтобы можно было возобновлять выполнение только одного процесса, а не всех процессов, приостановленных по заданному адресу.

  3. Обращения к алгоритмам sleep и wakeup в системе Multics имеют следующий синтаксис:

sleep(событие);

wakeup(событие, приоритет);

Таким образом, в алгоритме wakeup возобновляемому процессу присваивается приоритет. Сравните форму вызова этих алгоритмов с формой вызова события.

7.1 СОЗДАНИЕ ПРОЦЕССА

Единственным способом создания пользователем нового процесса в операционной системе UNIX является выполнение системной функции fork. Процесс, вызывающий функцию fork, называется родительским (процесс-родитель), вновь создаваемый процесс называется порожденным (процесс-потомок). Синтаксис вызова функции fork:

pid = fork();

В результате выполнения функции fork пользовательский контекст и того, и другого процессов совпадает во всем, кроме возвращаемого значения переменной pid. Для родительского процесса в pidвозвращается идентификатор порожденного процесса, для порожденного — pid имеет нулевое значение. Нулевой процесс, возникающий внутри ядра при загрузке системы, является единственным процессом, не создаваемым с помощью функции fork.

В ходе выполнения функции ядро производит следующую последовательность действий:

• 1. Отводит место в таблице процессов под новый процесс.

  2. Присваивает порождаемому процессу уникальный код идентификации.

  3. Делает логическую копию контекста родительского процесса. Поскольку те или иные составляющие процесса, такие как область команд, могут разделяться другими процессами, ядро может иногда вместо копирования области в новый физический участок памяти просто увеличить значение счетчика ссылок на область.

  4. Увеличивает значения счетчика числа файлов, связанных с процессом, как в таблице файлов, так и в таблице индексов.

  5. Возвращает родительскому процессу код идентификации порожденного процесса, а порожденному процессу — нулевое значение.

Реализацию системной функции fork, пожалуй, нельзя назвать тривиальной, так как порожденный процесс начинает свое выполнение, возникая как бы из воздуха. Алгоритм реализации функции для систем с замещением страниц по запросу и для систем с подкачкой процессов имеет лишь незначительные различия; все изложенное ниже в отношении этого алгоритма касается в первую очередь традиционных систем с подкачкой процессов, но с непременным акцентированием внимания на тех моментах, которые в системах с замещением страниц по запросу реализуются иначе. Кроме того, конечно, предполагается, что в системе имеется свободная оперативная память, достаточная для размещения порожденного процесса. В главе 9 будет отдельно рассмотрен случай, когда для порожденного процесса не хватает памяти, и там же будут даны разъяснения относительно реализации алгоритма fork в системах с замещением страниц.

На Рисунке 7.2 приведен алгоритм создания процесса. Сначала ядро должно удостовериться в том, что для успешного выполнения алгоритма fork есть все необходимые ресурсы. В системе с подкачкой процессов для размещения порождаемого процесса требуется место либо в памяти, либо на диске; в системе с замещением страниц следует выделить память для вспомогательных таблиц (в частности, таблиц страниц). Если свободных ресурсов нет, алгоритм fork завершается неудачно. Ядро ищет место в таблице процессов для конструирования контекста порождаемого процесса и проверяет, не превысил ли пользователь, выполняющий fork, ограничение на максимально-допустимое количество параллельно запущенных процессов. Ядро также подбирает для нового процесса уникальный идентификатор, значение которого превышает на единицу максимальный из существующих идентификаторов. Если предлагаемый идентификатор уже присвоен другому процессу, ядро берет идентификатор, следующий по порядку. Как только будет достигнуто максимально-допустимое значение, отсчет идентификаторов опять начнется с Ø. Поскольку большинство процессов имеет короткое время жизни, при переходе к началу отсчета значительная часть идентификаторов оказывается свободной.

На количество одновременно выполняющихся процессов накладывается ограничение (конфигурируемое), отсюда ни один из пользователей не может занимать в таблице процессов слишком много места, мешая тем самым другим пользователям создавать новые процессы. Кроме того, простым пользователям не разрешается создавать процесс, занимающий последнее свободное место в таблице процессов, в противном случае система зашла бы в тупик. Другими словами, поскольку в таблице процессов нет свободного места, то ядро не может гарантировать, что все существующие процессы завершатся естественным образом, поэтому новые процессы создаваться не будут. С другой стороны, суперпользователю нужно дать возможность исполнять столько процессов, сколько ему потребуется, конечно, учитывая размер таблицы процессов, при этом процесс, исполняемый суперпользователем, может занять в таблице и последнее свободное место. Предполагается, что суперпользователь может прибегать к решительным мерам и запускать процесс, побуждающий остальные процессы к завершению, если это вызывается необходимостью (см. раздел 7.2.3, где говорится о системной функции kill).

алгоритм fork

входная информация: отсутствует

выходная информация:

для родительского процесса — идентификатор (PID) порожденного процесса

для порожденного процесса — 0

{

проверить доступность ресурсов ядра;

получить свободное место в таблице процессов и уникальный код идентификации (PID);

проверить, не запустил ли пользователь слишком много процессов;

сделать пометку о том, что порождаемый процесс находится в состоянии «создания»;

скопировать информацию в таблице процессов из записи, соответствующей родительскому процессу, в запись, соответствующую порожденному процессу;

увеличить значения счетчиков ссылок на текущий каталог и на корневой каталог (если он был изменен);

увеличить значение счетчика открытий файла в таблице файлов; сделать копию контекста родительского процесса (адресное пространство, команды, данные, стек) в памяти;

поместить в стек фиктивный уровень системного контекста над уровнем системного контекста, соответствующим порожденному процессу;

/* фиктивный контекстный уровень содержит информацию, необходимую порожденному процессу для того, чтобы знать все о себе и будучи выбранным для исполнения запускаться с этого места; */

if (в данный момент выполняется родительский процесс) { перевести порожденный процесс в состояние «готовности к выполнению»; return (идентификатор порожденного процесса); /* из системы пользователю */

}

else { /* выполняется порожденный процесс */

записать начальные значения в поля синхронизации адресного пространства процесса;

return (0); /* пользователю */

}

Рисунок 7.2. Алгоритм fork

Затем ядро присваивает начальные значения различным полям записи таблицы процессов, соответствующей порожденному процессу, копируя в них значения полей из записи родительского процесса. Например, порожденный процесс «наследует» у родительского процесса коды идентификации пользователя (реальный и тот, под которым исполняется процесс), группу процессов, управляемую родительским процессом, а также значение, заданное родительским процессом в функции nice и используемое при вычислении приоритета планирования. В следующих разделах мы поговорим о назначении этих полей. Ядро передает значение поля идентификатора родительского процесса в запись порожденного, включая последний в древовидную структуру процессов, и присваивает начальные значения различным параметрам планирования, таким как приоритет планирования, использование ресурсов центрального процессора и другие значения полей синхронизации. Начальным состоянием процесса является состояние «создания» (см. Рисунок 6.1).

После того ядро устанавливает значения счетчиков ссылок на файлы, с которыми автоматически связывается порождаемый процесс. Во-первых, порожденный процесс размещается в текущем каталоге родительского процесса. Число процессов, обращающихся в данный момент к каталогу, увеличивается на 1 и, соответственно, увеличивается значение счетчика ссылок на его индекс. Во-вторых, если родительский процесс или один из его предков уже выполнял смену корневого каталога с помощью функции chroot, порожденный процесс наследует и новый корень с соответствующим увеличением значения счетчика ссылок на индекс корня. Наконец, ядро просматривает таблицу пользовательских дескрипторов для родительского процесса в поисках открытых файлов, известных процессу, и увеличивает значение счетчика ссылок, ассоциированного с каждым из открытых файлов, в глобальной таблице файлов. Порожденный процесс не просто наследует права доступа к открытым файлам, но и разделяет доступ к файлам с родительским процессом, так как оба процесса обращаются в таблице файлов к одним и тем же записям. Действие fork в отношении открытых файлов подобно действию алгоритма dup: новая запись в таблице пользовательских дескрипторов файла указывает на запись в глобальной таблице файлов, соответствующую открытому файлу. Для dup, однако, записи в таблице пользовательских дескрипторов файла относятся к одному процессу; для fork — к разным процессам.

После завершения всех этих действий ядро готово к созданию для порожденного процесса пользовательского контекста. Ядро выделяет память для адресного пространства процесса, его областей и таблиц страниц, создает с помощью алгоритма dupreg копии всех областей родительского процесса и присоединяет с помощью алгоритма attachreg каждую область к порожденному процессу. В системе с подкачкой процессов ядро копирует содержимое областей, не являющихся областями разделяемой памяти, в новую зону оперативной памяти. Вспомним из раздела 6.2.4 о том, что в пространстве процесса хранится указатель на соответствующую запись в таблице процессов. За исключением этого поля, во всем остальном содержимое адресного пространства порожденного процесса в начале совпадает с содержимым пространства родительского процесса, но может расходиться после завершения алгоритма fork. Родительский процесс, например, после выполнения fork может открыть новый файл, к которому порожденный процесс уже не получит доступ автоматически.

Итак, ядро завершило создание статической части контекста порожденного процесса; теперь оно приступает к созданию динамической части. Ядро копирует в нее первый контекстный уровень родительского процесса, включающий в себя сохраненный регистровый контекст задачи и стек ядра в момент вызова функции fork. Если в данной реализации стек ядра является частью пространства процесса, ядро в момент создания пространства порожденного процесса автоматически создает и системный стек для него. В противном случае родительскому процессу придется скопировать в пространство памяти, ассоциированное с порожденным процессом, свой системный стек. В любом случае стек ядра для порожденного процесса совпадает с системным стеком его родителя. Далее ядро создает для порожденного процесса фиктивный контекстный уровень (2), в котором содержится сохраненный регистровый контекст из первого контекстного уровня. Значения счетчика команд (регистр PC) и других регистров, сохраняемые в регистровом контексте, устанавливаются таким образом, чтобы с их помощью можно было «восстанавливать» контекст порожденного процесса, пусть даже последний еще ни разу не исполнялся, и чтобы этот процесс при запуске всегда помнил о том, что он порожденный. Например, если программа ядра проверяет значение, хранящееся в регистре Ø, для того, чтобы выяснить, является ли данный процесс родительским или же порожденным, то это значение переписывается в регистровый контекст порожденного процесса, сохраненный в составе первого уровня. Механизм сохранения используется тот же, что и при переключении контекста (см. предыдущую главу).

Если контекст порожденного процесса готов, родительский процесс завершает свою роль в выполнении алгоритма fork, переводя порожденный процесс в состояние «готовности к запуску, находясь в памяти» и возвращая пользователю его идентификатор. Затем, используя обычный алгоритм планирования, ядро выбирает порожденный процесс для исполнения и тот «доигрывает» свою роль в алгоритме fork. Контекст порожденного процесса был задан родительским процессом; с точки зрения ядра кажется, что порожденный процесс возобновляется после приостанова в ожидании ресурса. Порожденный процесс при выполнении функции fork реализует ту часть программы, на которую указывает счетчик команд, восстанавливаемый ядром из сохраненного на уровне 2 регистрового контекста, и по выходе из функции возвращает нулевое значение.

Рассмотрим приведенную на Рисунке 7.4 программу, которая представляет собой пример разделения доступа к файлу при исполнении функции fork. Пользователю следует передавать этой программе два параметра — имя существующего файла и имя создаваемого файла. Процесс открывает существующий файл, создает новый файл и — при условии отсутствия ошибок — порождает новый процесс. Внутри программы ядро делает копию контекста родительского процесса для порожденного, при этом родительский процесс исполняется в одном адресном пространстве, а порожденный — в другом. Каждый из процессов может работать со своими собственными копиями глобальных переменных fdrd, fdwt и с, а также со своими собственными копиями стековых переменных argc и argv, но ни один из них не может обращаться к переменным другого процесса. Тем не менее, при выполнении функции fork ядро делает копию адресного пространства первого процесса для второго, и порожденный процесс, таким образом, наследует доступ к файлам родительского (то есть к файлам, им ранее открытым и созданным) с правом использования тех же самых дескрипторов.

Родительский и порожденный процессы независимо друг от друга, конечно, вызывают функцию rdwrtи в цикле считывают по одному байту информацию из исходного файла и переписывают ее в файл вывода. Функция rdwrt возвращает управление, когда при считывании обнаруживается конец файла. Ядро перед тем уже увеличило значения счетчиков ссылок на исходный и результирующий файлы в таблице файлов, и дескрипторы, используемые в обоих процессах, адресуют к одним и тем же строкам в таблице. Таким образом, дескрипторы fdrd в том и в другом процессах указывают на запись в таблице файлов, соответствующую исходному файлу, а дескрипторы, подставляемые в качестве fdwt, — на запись, соответствующую результирующему файлу (файлу вывода). Поэтому оба процесса никогда не обратятся вместе на чтение или запись к одному и тому же адресу, вычисляемому с помощью смещения внутри файла, поскольку ядро смещает внутрифайловые указатели после каждой операции чтения или записи. Несмотря на то, что, казалось бы, из-за того, что процессы распределяют между собой рабочую нагрузку, они копируют исходный файл в два раза быстрее, содержимое результирующего файла зависит от очередности, в которой ядро запускает процессы. Если ядро запускает процессы так, что они исполняют системные функции попеременно (чередуя и спаренные вызовы функций read-write), содержимое результирующего файла будет совпадать с содержимым исходного файла. Рассмотрим, однако, случай, когда процессы собираются считать из исходного файла последовательность из двух символов «аb». Предположим, что родительский процесс считал символ «а», но не успел записать его, так как ядро переключилось на контекст порожденного процесса. Если порожденный процесс считывает символ «b» и записывает его в результирующий файл до возобновления родительского процесса, строка «аb» в результирующем файле будет иметь вид «bа». Ядро не гарантирует согласование темпов выполнения процессов.

#include <fcntl.h>

int fdrd, fdwt;

char c;

main(argc, argv)

int argc;

char *argv[];

{

if (argc != 3)

exit(l);

if ((fdrd = open(argv[1], O_RDONLY)) == -1)

exit(l);

if ((fdwt = creat (argv[2] , 0666)) == -1)

exit(l);

fork(); /* оба процесса исполняют одну и ту же программу */

rdwrt();

exit ( 0) ;

}

rdwrt() {

for (;;) {

if (read(fdrd, &c,l) != 1)

return;

write(fdwt, &c,l);

}

}

Рисунок 7.4. Программа, в которой родительский и порожденный процессы разделяют доступ к файлу

Теперь перейдем к программе, представленной на Рисунке 7.5, в которой процесс-потомок наследует от своего родителя файловые дескрипторы Ø и 1 (соответствующие стандартному вводу и стандартному выводу). При каждом выполнении системной функции pipe производится назначение двух файловых дескрипторов в массивах to_par и to chi 1. Процесс вызывает функцию fork и делает копию своего контекста: каждый из процессов имеет доступ только к своим собственным данным, так же как и в предыдущем примере. Родительский процесс закрывает файл стандартного вывода (дескриптор 1) и дублирует дескриптор записи, возвращаемый в канал to_chil. Поскольку первое свободное место в таблице дескрипторов родительского процесса образовалось в результате только что выполненной операции закрытия (close) файла вывода, ядро переписывает туда дескриптор записи в канал и этот дескриптор становится дескриптором файла стандартного вывода для to_chil. Те же самые действия родительский процесс выполняет в отношении дескриптора файла стандартного ввода, заменяя его дескриптором чтения из канала to_par. И порожденный процесс закрывает файл стандартного ввода (дескриптор Ø) и так же дублирует дескриптор чтения из канала to_chil. Поскольку первое свободное место в таблице дескрипторов файлов прежде было занято файлом стандартного ввода, его дескриптором становится дескриптор чтения из канала to_chil. Аналогичные действия выполняются и в отношении дескриптора файла стандартного вывода, заменяя его дескриптором записи в канал to_par. И тот, и другой процессы закрывают файлы, дескрипторы которых возвратила функция pipe — хорошая традиция, в чем нам еще предстоит убедиться. В результате, когда родительский процесс переписывает данные в стандартный вывод, запись ведется в канал to_chil и данные поступают к порожденному процессу, который считывает их через свой стандартный ввод. Когда же порожденный процесс пишет данные в стандартный вывод, запись ведется в канал to_par и данные поступают к родительскому процессу, считывающему их через свой стандартный ввод. Так через два канала оба процесса обмениваются сообщениями.

#include <string.h>

char string[] = "hello world";

main ()

{

int count, i;

int to_par[2], to_chil[2]; /* для каналов родителя и потомка */

char buf[25б] ;

pipe(to_par);

pipe(to_chil);

if (fork() == 0)

{

/* выполнение порожденного процесса */

close (0); /* закрытие прежнего стандартного ввода */

dup (to chil[0]); /* дублирование дескриптора чтения из канала в позицию

стандартного ввода */

close (1); /* закрытие прежнего стандартного вывода */

dup(to par[0]); /* дублирование дескриптора записи в канал в позицию стандартного вывода */

close (to par[l]); /* закрытие ненужных дескрипторов канала */

close(to_chil[0] ) ;

close(to_par[0]);

close(to_chil[1]);

for (;;)

{

if ((count = read(0, buf, sizeof (buf)) ) == 0)

exit();

write (1, buf, count);

}

} /* выполнение родительского процесса */

close (1); /* перенастройка стандартного ввода-вывода */

dup(to_chil[1]);

close (0);

dup(to_par[0]);

close(to_chil[1]);

close(to_par[0]);

close(to_chil[0] ) ;

close(to_par[1]);

for (i = 0; i < 15; i + +)

{ write (1, string, strlen (string) ) ; read(0, buf, sizeof (buf));

}

}

Рисунок 7.5. Использование функций pipe, dup и fork

Результаты этой программы не зависят от того, в какой очередности процессы выполняют свои действия. Таким образом, нет никакой разницы, возвращается ли управление родительскому процессу из функции fork раньше или позже, чем порожденному процессу. И так же безразличен порядок, в котором процессы вызывают системные функции перед тем, как войти в свой собственный цикл, ибо они используют идентичные структуры ядра. Если процесс-потомок исполняет функцию read раньше, чем его родитель выполнит write, он будет приостановлен до тех пор, пока родительский процесс не произведет запись в канал и тем самым не возобновит выполнение потомка. Если родительский процесс записывает в канал до того, как его потомок приступит к чтению из канала, первый процесс не сможет в свою очередь считать данные из стандартного ввода, пока второй процесс не прочитает все из своего стандартного ввода и не произведет запись данных в стандартный вывод. С этого места порядок работы жестко фиксирован: каждый процесс завершает выполнение функций read и write и не может выполнить следующую операцию read до тех пор, пока другой процесс не выполнит пару read-write. Родительский процесс после 15 итераций завершает работу; порожденный процесс наталкивается на конец файла («end-of-file»), поскольку канал не связан больше ни с одним из записывающих процессов, и тоже завершает работу. Если порожденный процесс попытается произвести запись в канал после завершения родительского процесса, он получит сигнал о том, что канал не связан ни с одним из процессов чтения.

Мы упомянули о том, что хорошей традицией в программировании является закрытие ненужных файловых дескрипторов. В пользу этого говорят три довода. Во-первых, дескрипторы файлов постоянно находятся под контролем системы, которая накладывает ограничение на их количество. Во-вторых, во время исполнения порожденного процесса присвоение дескрипторов в новом контексте сохраняется (в чем мы еще убедимся). Закрытие ненужных файлов до запуска процесса открывает перед программами возможность исполнения в «стерильных» условиях, свободных от любых неожиданностей, имея открытыми только файлы стандартного ввода- вывода и ошибок. Наконец, функция read для канала возвращает признак конца файла только в том случае, если канал не был открыт для записи ни одним из процессов. Если считывающий процесс будет держать дескриптор записи в канал открытым, он никогда не узнает, закрыл ли записывающий процесс работу на своем конце канала или нет. Вышеприведенная программа не работала бы надлежащим образом, если бы перед входом в цикл выполнения процессом- потомком не были закрыты дескрипторы записи в канал.

7.2 СИГНАЛЫ

Сигналы сообщают процессам о возникновении асинхронных событий. Посылка сигналов производится процессами — друг другу, с помощью функции kill, — или ядром. В версии V (вторая редакция) системы UNIX существуют 19 различных сигналов, которые можно классифицировать следующим образом:

• • Сигналы, посылаемые в случае завершения выполнения процесса, то есть тогда, когда процесс выполняет функцию exit или функцию signal с параметром death of child (гибель потомка);

  • Сигналы, посылаемые в случае возникновения вызываемых процессом особых ситуаций, таких как обращение к адресу, находящемуся за пределами виртуального адресного пространства процесса, или попытка записи в область памяти, открытую только для чтения (например, текст программы), или попытка исполнения привилегированной команды, а также различные аппаратные ошибки;

  • Сигналы, посылаемые во время выполнения системной функции при возникновении неисправимых ошибок, таких как исчерпание системных ресурсов во время выполнения функции ехес после освобождения исходного адресного пространства (см. раздел 7.5);

  • Сигналы, причиной которых служит возникновение во время выполнения системной функции совершенно неожиданных ошибок, таких как обращение к несуществующей системной функции (процесс передал номер системной функции, который не соответствует ни одной из имеющихся функций), запись в канал, не связанный ни с одним из процессов чтения, а также использование недопустимого значения в параметре «reference» системной функции lseek. Казалось бы, более логично в таких случаях вместо посылки сигнала возвращать код ошибки, однако с практической точки зрения для аварийного завершения процессов, в которых возникают подобные ошибки, более предпочтительным является именно использование сигналов;

  • Сигналы, посылаемые процессу, который выполняется в режиме задачи, например, сигнал тревоги (alarm), посылаемый по истечении определенного периода времени, или произвольные сигналы, которыми обмениваются процессы, использующие функцию kill;

  • Сигналы, связанные с терминальным взаимодействием, например, с «зависанием» терминала (когда сигнал-носитель на терминальной линии прекращается по любой причине) или с нажатием клавиш «break» и «delete» на клавиатуре терминала;

  • Сигналы, с помощью которых производится трассировка выполнения процесса. Условия применения сигналов каждой группы будут рассмотрены в этой и последующих главах.

алгоритм issig /* проверка получения сигналов */ входная информация: отсутствует

выходная информация: «истина», если процесс получил сигналы, которые его интересуют «ложь» — в противном случае

{

do while (поле в записи таблицы процессов, содержащее индикацию о получении сигнала, хранит ненулевое значение) {

найти номер сигнала, посланного процессу;

if (сигнал типа «гибель потомка») {

if (сигналы данного типа игнорируются)

освободить записи таблицы процессов, которые соответствуют потомкам, прекратившим существование;

else if (сигналы данного типа принимаются) return (true);

}

else if (сигнал не игнорируется) return (true);

сбросить (погасить) сигнальный разряд, установленный в соответствующем поле таблицы процессов, хранящем индикацию получения сигнала;

}

return (false);

}

Рисунок 7.7. Алгоритм опознания сигналов

7.2.1 Обработка сигналов

Ядро обрабатывает сигналы в контексте того процесса, который получает их, поэтому чтобы обработать сигналы, нужно запустить процесс. Существует три способа обработки сигналов:

• процесс завершается по получении сигнала,

• не обращает внимание на сигнал

• выполняет особую (пользовательскую) функцию по его получении.

Реакцией по умолчанию со стороны процесса, исполняемого в режиме ядра, является вызов функции exit, однако с помощью функции signal процесс может указать другие специальные действия, принимаемые по получении тех или иных сигналов.

Синтаксис вызова системной функции signal:

oldfimction= signal(signum, function);

где signum — номер сигнала, при получении которого будет выполнено действие, связанное с запуском пользовательской функции, function — адрес функции, oldfimction — возвращаемое функцией значение. Вместо адреса функции процесс может передавать вызываемой процедуре signal числа 1 и Ø: если function = 1, процесс будет игнорировать все последующие поступления сигнала с номером signum(особый случай, связанный с игнорированием сигнала «гибель потомка», рассматривается в разделе 7.4), если = Ø (значение по умолчанию), процесс по получении сигнала в режиме ядра завершается. В пространстве процесса поддерживается массив полей для обработки сигналов, по одному полю на каждый определенный в системе сигнал. В поле, соответствующем сигналу с указанным номером, ядро сохраняет адрес пользовательской функции, вызываемой по получении сигнала процессом. Способ обработки сигналов одного типа не влияет на обработку сигналов других типов.

алгоритм psig /* обработка сигналов после проверки их существования */

входная информация: отсутствует

выходная информация: отсутствует

{

выбрать номер сигнала из записи таблицы процессов;

очистить поле с номером сигнала;

if (пользователь ранее вызывал функцию signal, с помощью которой сделал указание игнорировать сигнал данного типа) return;

if (пользователь указал функцию, которую нужно выполнить по получении сигнала) {

из пространства процесса выбрать пользовательский виртуальный адрес функции обработки сигнала;

/* следующий оператор имеет нежелательные побочные эффекты */ очистить поле в пространстве процесса, содержащее адрес функции обработки сигнала;

внести изменения в пользовательский контекст:

искусственно создать в стеке задачи запись, имитирующую обращение к функции обработки сигнала;

внести изменения в системный контекст:

записать адрес функции обработки сигнала в поле счетчика команд, принадлежащее сохраненному регистровому контексту задачи; return;

}

if (сигнал требует дампирования образа процесса в памяти) { создать в текущем каталоге файл с именем «core»;

переписать в файл «core» содержимое пользовательского контекста;

}

немедленно запустить алгоритм exit;

}

Рисунок 7.8. Алгоритм обработки сигналов

Обрабатывая сигнал (Рисунок 7.8), ядро определяет тип сигнала и очищает (гасит) разряд в записи таблицы процессов, соответствующий данному типу сигнала и установленный в момент получения сигнала процессом. Если функции обработки сигнала присвоено значение по умолчанию, ядро в отдельных случаях перед завершением процесса сбрасывает на внешний носитель (дампирует) образ процесса в памяти (см. упражнение 7.7). Дампирование удобно для программистов тем, что позволяет установить причину завершения процесса и посредством этого вести отладку программ. Ядро дампирует состояние памяти при поступлении сигналов, которые сообщают о каких-нибудь ошибках в выполнении процессов, как например, попытка исполнения запрещенной команды или обращение к адресу, находящемуся за пределами виртуального адресного пространства процесса. Ядро не дампирует состояние памяти, если сигнал не связан с программной ошибкой. Например, прерывание, вызванное нажатием клавиш «delete» или «break» на терминале, имеет своим результатом посылку сигнала, который сообщает о том, что пользователь хочет раньше времени завершить процесс, в то время как сигнал о «зависании» является свидетельством нарушения связи с регистрационным терминалом. Эти сигналы не связаны с ошибками в протекании процесса. Сигнал о выходе (quit), однако, вызывает сброс состояния памяти, несмотря на то, что он возникает за пределами выполняемого процесса. Этот сигнал, обычно вызываемый одновременным нажатием клавиш <Ctrl/|>, дает программисту возможность получать дамп состояния памяти в любой момент после запуска процесса, что бывает необходимо, если процесс попадает в бесконечный цикл выполнения одних и тех же команд (зацикливается).

Если процесс получает сигнал, на который было решено не обращать внимание, выполнение процесса продолжается так, словно сигнала и не было. Поскольку ядро не сбрасывает значение соответствующего поля, свидетельствующего о необходимости игнорирования сигнала данного типа, то когда сигнал поступит вновь, процесс опять не обратит на него внимание. Если процесс получает сигнал, реагирование на который было признано необходимым, сразу по возвращении процесса в режим задачи выполняется заранее условленное действие, однако прежде чем перевести процесс в режим задачи, ядро еще должно предпринять следующие шаги:

• 1. Ядро обращается к сохраненному регистровому контексту задачи и выбирает значения счетчика команд и указателя вершины стека, которые будут возвращены пользовательскому процессу.

  2. Сбрасывает в пространстве процесса прежнее значение поля функции обработки сигнала и присваивает ему значение по умолчанию.

  3. Создает новую запись в стеке задачи, в которую, при необходимости выделяя дополнительную память, переписывает значения счетчика команд и указателя вершины стека, выбранные ранее из сохраненного регистрового контекста задачи. Стек задачи будет выглядеть так, как будто процесс произвел обращение к пользовательской функции (обработки сигнала) в той точке, где он вызывал системную функцию или где ядро прервало его выполнение (перед опознанием сигнала).

  4. Вносит изменения в сохраненный регистровый контекст задачи: устанавливает значение счетчика команд равным адресу функции обработки сигнала, а значение указателя вершины стека равным глубине стека задачи.

Таким образом, по возвращении из режима ядра в режим задачи процесс приступит к выполнению функции обработки сигнала; после ее завершения управление будет передано на то место в программе пользователя, где было произведено обращение к системной функции или произошло прерывание, тем самым как бы имитируется выход из системной функции или прерывания.

Эту ситуацию можно разобрать на примере программы, представленной на Рисунке 7.12. Процесс обращается к системной функции signal для того, чтобы дать указание принимать сигналы о прерываниях и исполнять по их получении функцию sigcatcher. Затем он порождает новый процесс, запускает системную функцию nice, позволяющую сделать приоритет запуска процесса-родителя ниже приоритета его потомка (см. главу 8), и входит в бесконечный цикл. Порожденный процесс задерживает свое выполнение на 5 секунд, чтобы дать родительскому процессу время исполнить системную функцию nice и снизить свой приоритет. После этого порожденный процесс входит в цикл, в каждой итерации которого он посылает родительскому процессу сигнал о прерывании (посредством обращения к функции kill). Если в результате ошибки, например, из-за того, что родительский процесс больше не существует, kill завершается, то завершается и порожденный процесс. Вся идея состоит в том, что родительскому процессу следует запускать функцию обработки сигнала при каждом получении сигнала о прерывании. Функция обработки сигнала выводит сообщение и снова обращается к функции signal при очередном появлении сигнала о прерывании, родительский же процесс продолжает исполнять циклический набор команд. Однако, возможна и следующая очередность наступления событий:

• 1. Порожденный процесс посылает родительскому процессу сигнал о прерывании.

  2. Родительский процесс принимает сигнал и вызывает функцию обработки сигнала, но резервируется ядром, которое производит переключение контекста до того, как функция signal будет вызвана повторно.

  3. Снова запускается порожденный процесс, который посылает родительскому процессу еще один сигнал о прерывании.

  4. Родительский процесс получает второй сигнал о прерывании, но перед тем он не успел сделать никаких распоряжений относительно способа обработки сигнала. Когда выполнение родительского процесса будет возобновлено, он завершится.

#include <signal.h>

sigcatcher() {

printf("PID %d принял сигнал\п", getpidO); /* печать PID */ signal(SIGINT, sigcatcher);

}

main() {

int ppid;

signal(SIGINT, sigcatcher);

if (fork() == 0) {

/* дать процессам время для выполнения установок */ sleep (5); /* библиотечная функция приостанова на 5 секунд */

ppid = getppid(); /* получить идентификатор родителя */ for (;;) if (kill(ppid, SIGINT) == -1) exit();

}

/* чем ниже приоритет, тем выше шансы возникновения конкуренции */

nice (10) ;

for (;;) ;

}

Рисунок 7.12. Программа, демонстрирующая возникновение соперничества между процессами в ходе обработки сигналов

В программе описывается именно такое поведение процессов, поскольку вызов родительским процессом функции nice приводит к тому, что ядро будет чаще запускать на выполнение порожденный процесс.

По словам Ричи (эти сведения были получены в частной беседе), сигналы были задуманы как события, которые могут быть как фатальными, так и проходящими незаметно, которые не всегда обрабатываются, поэтому в ранних версиях системы конкуренция процессов, связанная с посылкой сигналов, не фиксировалась. Тем не менее, она представляет серьезную проблему в тех программах, где осуществляется прием сигналов. Эта проблема была бы устранена, если бы поле описания сигнала не очищалось по его получении. Однако, такое решение породило бы новую проблему: если поступающий сигнал принимается, а поле очищено, вложенные обращения к функции обработки сигнала могут переполнить стек. С другой стороны, ядро могло бы сбросить значение функции обработки сигнала, тем самым делая распоряжение игнорировать сигналы данного типа до тех пор, пока пользователь вновь не укажет, что нужно делать по получении подобных сигналов. Такое решение предполагает потерю информации, так как процесс не в состоянии узнать, сколько сигналов им было получено. Однако, информации при этом теряется не больше, чем в том случае, когда процесс получает большое количество сигналов одного типа до того, как получает возможность их обработать. В системе BSD, наконец, процесс имеет возможность блокировать получение сигналов и снимать блокировку при новом обращении к системной функции; когда процесс снимает блокировку сигналов, ядро посылает процессу все сигналы, отложенные (повисшие) с момента установки блокировки. Когда процесс получает сигнал, ядро автоматически блокирует получение следующего сигнала до тех пор, пока функция обработки сигнала не закончит работу. В этих действиях ядра наблюдается аналогия с тем, как ядро реагирует на аппаратные прерывания: оно блокирует появление новых прерываний на время обработки предыдущих.

Второе несоответствие в обработке сигналов связано с приемом сигналов, поступающих во время исполнения системной функции, когда процесс приостановлен с допускающим прерывания приоритетом. Сигнал побуждает процесс выйти из приостанова (с помощью longjump), вернуться в режим задачи и вызвать функцию обработки сигнала. Когда функция обработки сигнала завершает работу, происходит то, что процесс выходит из системной функции с ошибкой, сообщающей о прерывании ее выполнения. Узнав об ошибке, пользователь запускает системную функцию повторно, однако более удобно было бы, если бы это действие автоматически выполнялось ядром, как в системе BSD.

Третье несоответствие проявляется в том случае, когда процесс игнорирует поступивший сигнал. Если сигнал поступает в то время, когда процесс находится в состоянии приостанова с допускающим прерывания приоритетом, процесс возобновляется, но не выполняет longjump. Другими словами, ядро узнает о том, что процесс проигнорировал поступивший сигнал только после возобновления его выполнения. Логичнее было бы оставить процесс в состоянии приостанова. Однако, в момент посылки сигнала к пространству процесса, в котором ядро хранит адрес функции обработки сигнала, может отсутствовать доступ. Эта проблема может быть решена путем запоминания адреса функции обработки сигнала в записи таблицы процессов, обращаясь к которой, ядро получало бы возможность решать вопрос о необходимости возобновления процесса по получении сигнала. С другой стороны, процесс может немедленно вернуться в состояние приостанова (по алгоритму sleep), если обнаружит, что в его возобновлении не было необходимости. Однако, пользовательские процессы не имеют возможности осознавать собственное возобновление, поскольку ядро располагает точку входа в алгоритм sleep внутри цикла с условием продолжения (см. главу 2), переводя процесс вновь в состояние приостанова, если ожидаемое процессом событие в действительности не имело места.

Ко всему сказанному выше следует добавить, что ядро обрабатывает сигналы типа «гибель потомка» не так, как другие сигналы. В частности, когда процесс узнает о получении сигнала «гибель потомка», он выключает индикацию сигнала в соответствующем поле записи таблицы процессов и по умолчанию действует так, словно никакого сигнала и не поступало. Назначение сигнала «гибель потомка» состоит в возобновлении выполнения процесса, приостановленного с допускающим прерывания приоритетом. Если процесс принимает такой сигнал, он, как и во всех остальных случаях, запускает функцию обработки сигнала. Действия, предпринимаемые ядром в том случае, когда процесс игнорирует поступивший сигнал этого типа, будут описаны в разделе 7.4. Наконец, когда процесс вызвал функцию signal с параметром «гибель потомка» (death of child), ядро посылает ему соответствующий сигнал, если он имеет потомков, прекративших существование. В разделе 7.4 на этом моменте мы остановимся более подробно.

7.2.2 Группы процессов

Несмотря на то, что в системе UNIX процессы идентифицируются уникальным кодом (PID), системе иногда приходится использовать для идентификации процессов номер «группы», в которую они входят. Например, процессы, имеющие общего предка в лице регистрационного shell'a, взаимосвязаны, и поэтому когда пользователь нажимает клавиши «delete» или «break», или когда терминальная линия «зависает», все эти процессы получают соответствующие сигналы. Ядро использует код группы процессов для идентификации группы взаимосвязанных процессов, которые при наступлении определенных событий должны получать общий сигнал. Код группы запоминается в таблице процессов; процессы из одной группы имеют один и тот же код группы.

Для того, чтобы присвоить коду группы процессов начальное значение, приравняв его коду идентификации процесса, следует воспользоваться системной функцией setpgrp. Синтаксис вызова функции:

grp - setpgrp();

где grp — новый код группы процессов. При выполнении функции fork процесс-потомок наследует код группы своего родителя. Использование функции setpgrp при назначении для процесса операторского терминала имеет важные особенности, на которые стоит обратить внимание (см. раздел 10.3.5).

7.2.3 Посылка сигналов процессами

Для посылки сигналов процессы используют системную функцию kill. Синтаксис вызова функции:

kill(pid, signum)

где в pid указывается адресат посылаемого сигнала (область действия сигнала), а в signum — номер посылаемого сигнала. Связь между значением pid и совокупностью выполняющихся процессов следующая:

• • Если pid — положительное целое число, ядро посылает сигнал процессу с идентификатором pid.

  • Если значение pid равно Ø, сигнал посылается всем процессам, входящим в одну группу с процессом, вызвавшим функцию kill.

  • Если значение pid равно -1, сигнал посылается всем процессам, у которых реальный код идентификации пользователя совпадает с тем, под которым исполняется процесс, вызвавший функцию kill (об этих кодах более подробно см. в разделе 7.6). Если процесс, пославший сигнал, исполняется под кодом идентификации суперпользователя, сигнал рассылается всем процессам, кроме процессов с идентификаторами Ø и 1.

  • Если pid — отрицательное целое число, но не -1, сигнал посылается всем процессам, входящим в группу с номером, равным абсолютному значению pid.

Во всех случаях, если процесс, пославший сигнал, исполняется под кодом идентификации пользователя, не являющегося суперпользователем, или если коды идентификации пользователя (реальный и исполнительный) у этого процесса не совпадают с соответствующими кодами процесса, принимающего сигнал, kill завершается неудачно.

В программе, приведенной на Рисунке 7.13, главный процесс сбрасывает установленное ранее значение номера группы и порождает 10 новых процессов. При рождении каждый процесс-потомок наследует номер группы процессов своего родителя, однако, процессы, созданные в нечетных итерациях цикла, сбрасывают это значение. Системные функции getpid и getpgrp возвращают значения кода идентификации выполняемого процесса и номера группы, в которую он входит, а функция pause приостанавливает выполнение процесса до момента получения сигнала. В конечном итоге родительский процесс запускает функцию kill и посылает сигнал о прерывании всем процессам, входящим в одну с ним группу. Ядро посылает сигнал пяти «четным» процессам, не сбросившим унаследованное значение номера группы, при этом пять «нечетных» процессов продолжают свое выполнение.

#include <signal.h>

main () {

register int i; setpgrp();

for (i=0; i< 10; i++) {

if (fork() == 0) {

/* порожденный процесс */ if (i & 1) setpgrp();

printf("pid = %d pgrp = %d\n", getpid(), getpgrpO);

}

}

kill (О, SIGINT) ;

}

Рисунок 7.13. Пример использования функции setpgrp

7.3 ЗАВЕРШЕНИЕ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЦЕССА

В системе UNIX процесс завершает свое выполнение, запуская системную функцию exit. После этого процесс переходит в состояние «прекращения существования» (см. Рисунок 6.1), освобождает ресурсы и ликвидирует свой контекст. Синтаксис вызова функции:

exit(status);

где status — значение, возвращаемое функцией родительскому процессу. Процессы могут вызывать функцию exit как в явном, так и в неявном виде (по окончании выполнения программы: начальная процедура (startup), компонуемая со всеми программами на языке Си, вызывает функцию exit на выходе программы из функции main, являющейся общей точкой входа для всех программ). С другой стороны, ядро может вызывать функцию exit по своей инициативе, если процесс не принял посланный ему сигнал (об этом мы уже говорили выше). В этом случае значение параметра status равно номеру сигнала.

Система не накладывает никакого ограничения на продолжительность выполнения процесса, и зачастую процессы существуют в течение довольно длительного времени. Нулевой процесс (программа подкачки) и процесс 1 (init), к примеру, существуют на протяжении всего времени жизни системы. Продолжительными процессами являются также getty-процессы, контролирующие работу терминальной линии, ожидая регистрации пользователей, и процессы общего назначения, выполняемые под руководством администратора.

На Рисунке 7.14 приведен алгоритм функции exit. Сначала ядро отменяет обработку всех сигналов, посылаемых процессу, поскольку ее продолжение становится бессмысленным. Если процесс, вызывающий функцию exit, возглавляет группу процессов, ассоциированную с операторским терминалом (см. раздел 10.3.5), ядро делает предположение о том, что пользователь прекращает работу, и посылает всем процессам в группе сигнал о «зависании». Таким образом, если пользователь в регистрационном shell'e нажмет последовательность клавиш, означающую «конец файла» (Ctrl-d), при этом с терминалом остались связанными некоторые из существующих процессов, процесс, выполняющий функцию exit, пошлет им всем сигнал о «зависании». Кроме того, ядро сбрасывает в ноль значение кода группы процессов для всех процессов, входящих в данную группу, поскольку не исключена возможность того, что позднее текущий код идентификации процесса (процесса, который вызвал функцию exit) будет присвоен другому процессу и тогда последний возглавит группу с указанным кодом. Процессы, входившие в старую группу, в новую группу входить не будут. После этого ядро просматривает дескрипторы открытых файлов, закрывает каждый из этих файлов по алгоритму close и освобождает по алгоритму iput индексы текущего каталога и корня (если он изменялся).

алгоритм exit

входная информация: код, возвращаемый родительскому процессу выходная информация: отсутствует

{

игнорировать все сигналы;

if (процесс возглавляет группу процессов, ассоциированную с операторским терминалом) {

послать всем процессам, входящим в группу, сигнал о «зависании»; сбросить в ноль код группы процессов;

}

закрыть все открытые файлы (внутренняя модификация алгоритма close); освободить текущий каталог (алгоритм iput);

освободить области и память, ассоциированную с процессом (алгоритм freereg); создать запись с учетной информацией;

прекратить существование процесса (перевести его в соответствующее состояние); назначить всем процессам-потомкам в качестве родителя процесс init (1); если кто-либо из потомков прекратил существование, послать процессу init сигнал «гибель потомка»;

послать сигнал «гибель потомка» родителю данного процесса; переключить контекст;

}

Рисунок 7.14. Алгоритм функции exit

Наконец, ядро освобождает всю выделенную задаче память вместе с соответствующими областями (по алгоритму detachreg) и переводит процесс в состояние прекращения существования. Ядро сохраняет в таблице процессов код возврата функции exit (status), а также суммарное время исполнения процесса и его потомков в режиме ядра и режиме задачи. В разделе 7.4 при рассмотрении функции wait будет показано, каким образом процесс получает информацию о времени выполнения своих потомков. Ядро также создает в глобальном учетном файле запись, которая содержит различную статистическую информацию о выполнении процесса, такую как код идентификации пользователя, использование ресурсов центрального процессора и памяти, объем потоков ввода-вывода, связанных с процессом. Пользовательские программы могут в любой момент обратиться к учетному файлу за статистическими данными, представляющими интерес с точки зрения слежения за функционированием системы и организации расчетов с пользователями. Ядро удаляет процесс из дерева процессов, а его потомков передает процессу 1 (init). Таким образом, процесс 1 становится законным родителем всех продолжающих существование потомков завершающегося процесса. Если кто-либо из потомков прекращает существование, завершающийся процесс посылает процессу init сигнал «гибель потомка» для того, чтобы процесс начальной загрузки мог удалить запись о потомке из таблицы процессов (см. раздел 7.9); кроме того, завершающийся процесс посылает этот сигнал своему родителю. В типичной ситуации родительский процесс синхронизирует свое выполнение с завершающимся потомком с помощью системной функции wait. Прекращая существование, процесс переключает контекст и ядро может теперь выбирать для исполнения следующий процесс; ядро с этих пор уже не будет исполнять процесс, прекративший существование.

В программе, приведенной на Рисунке 7.15, процесс создает новый процесс, который печатает свой код идентификации и вызывает системную функцию pause, приостанавливаясь до получения сигнала. Процесс-родитель печатает PID своего потомка и завершается, возвращая только что выведенное значение через параметр status. Если бы вызов функции exit отсутствовал, начальная процедура сделала бы его по выходе процесса из функции main. Порожденный процесс продолжает ожидать получения сигнала, даже если его родитель уже завершился.

Процесс может синхронизировать продолжение своего выполнения с моментом завершения потомка, если воспользуется системной функцией wait. Синтаксис вызова функции:

pid = wait(stat_addr);

где pid — значение кода идентификации (PID) прекратившего свое существование потомка, stat_addr— адрес переменной целого типа, в которую будет помещено возвращаемое функцией exit значение, в пространстве задачи.

main () {

int child;

if ((child = fork()) == 0) {

printf("PID потомка %d\n", getpidO);

pause(); /* приостанов выполнения до получения сигнала */

}

/* родитель */

printf("PID потомка %d\n", child);

exit (child) ;

}

Рисунок 7.15. Пример использования функции exit

Алгоритм функции wait приведен на Рисунке 7.16. Ядро ведет поиск потомков процесса, прекративших существование, и в случае их отсутствия возвращает ошибку. Если потомок, прекративший существование, обнаружен, ядро передает его код идентификации и значение, возвращаемое через параметр функции exit, процессу, вызвавшему функцию wait. Таким образом, через параметр функции exit (status) завершающийся процесс может передавать различные значения, в закодированном виде содержащие информацию о причине завершения процесса, однако на практике этот параметр используется по назначению довольно редко. Ядро передает в соответствующие поля, принадлежащие пространству родительского процесса, накопленные значения продолжительности исполнения процесса-потомка в режиме ядра и в режиме задачи и, наконец, освобождает в таблице процессов место, которое в ней занимал прежде прекративший существование процесс. Это место будет предоставлено новому процессу.

Если процесс, выполняющий функцию wait, имеет потомков, продолжающих существование, он приостанавливается до получения ожидаемого сигнала. Ядро не возобновляет по своей инициативе процесс, приостановившийся с помощью функции wait: такой процесс может возобновиться только в случае получения сигнала. На все сигналы, кроме сигнала «гибель потомка», процесс реагирует ранее рассмотренным образом. Реакция процесса на сигнал «гибель потомка» проявляется по-разному в зависимости от обстоятельств:

По умолчанию (то есть если специально не оговорены никакие другие действия) процесс выходит из состояния останова, в которое он вошел с помощью функции wait, и запускает алгоритм issig для опознания типа поступившего сигнала. Алгоритм issig (Рисунок 7.7) рассматривает особый случай поступления сигнала типа «гибель потомка» и возвращает «ложь». Поэтому ядро не выполняет longjumpиз функции sleep, а возвращает управление функции wait. Оно перезапускает функцию wait, находит потомков, прекративших существование (по крайней мере, одного), освобождает место в таблице процессов, занимаемое этими потомками, и выходит из функции wait, возвращая управление процессу, вызвавшему ее.

• • Если процессы принимает сигналы данного типа, ядро делает все необходимые установки для запуска пользовательской функции обработки сигнала, как и в случае поступления сигнала любого другого типа.

  • Если процесс игнорирует сигналы данного типа, ядро перезапускает функцию wait, освобождает в таблице процессов место, занимаемое потомками, прекратившими существование, и исследует оставшихся потомков.

алгоритм wait

входная информация: адрес переменной для хранения значения status,

возвращаемого завершающимся процессом

выходная информация: идентификатор потомка и код возврата функции exit {

if (процесс, вызвавший функцию wait, не имеет потомков) return (ошибку); for (;;) { /* цикл с внутренним циклом */

if (процесс, вызвавший функцию wait, имеет потомков, прекративших существование) {

выбрать произвольного потомка;

передать его родителю информацию об использовании потомком ресурсов центрального процессора;

освободить в таблице процессов место, занимаемое потомком;

return (идентификатор потомка, код возврата функции exit, вызванной

потомком);

}

if (у процесса нет потомков) return ошибку;

приостановиться с приоритетом, допускающим прерывания (до завершения потомка);

Рисунок 7.16. Алгоритм функции wait

Например, если пользователь запускает программу, приведенную на Рисунке 7.17, с параметром и без параметра, он получит разные результаты. Сначала рассмотрим случай, когда пользователь запускает программу без параметра (единственный параметр — имя программы, то есть argc равно 1). Родительский процесс порождает 15 потомков, которые в конечном итоге завершают свое выполнение с кодом возврата i, номером процесса в порядке очередности создания. Ядро, исполняя функцию wait для родителя, находит потомка, прекратившего существование, и передает родителю его идентификатор и код возврата функции exit. При этом заранее не известно, какой из потомков будет обнаружен. Из текста программы, реализующей системную функцию exit, написанной на языке Си и включенной в библиотеку стандартных подпрограмм, видно, что программа запоминает код возврата функции exit в битах 8-15 поля ret_code и возвращает функции wait идентификатор процесса-потомка. Таким образом, в ret_code хранится значение, равное 256*i, где i — номер потомка, а в ret_val заносится значение идентификатора потомка.

Если пользователь запускает программу с параметром (то есть argc > 1), родительский процесс с помощью функции signal делает распоряжение игнорировать сигналы типа «гибель потомка». Предположим, что родительский процесс, выполняя функцию wait, приостановился еще до того, как его потомок произвел обращение к функции exit: когда процесс-потомок переходит к выполнению функции exit, он посылает своему родителю сигнал «гибель потомка»; родительский процесс возобновляется, поскольку он был приостановлен с приоритетом, допускающим прерывания. Когда так или иначе родительский процесс продолжит свое выполнение, он обнаружит, что сигнал сообщал о «гибели» потомка; однако, поскольку он игнорирует сигналы этого типа и не обрабатывает их, ядро удаляет из таблицы процессов запись, соответствующую прекратившему существование потомку, и продолжает выполнение функции wait так, словно сигнала и не было. Ядро выполняет эти действия всякий раз, когда родительский процесс получает сигнал типа «гибель потомка», до тех пор, пока цикл выполнения функции wait не будет завершен и пока не будет установлено, что у процесса больше потомков нет. Тогда функция wait возвращает значение, равное -1. Разница между двумя способами запуска программы состоит в том, что в первом случае процесс-родитель ждет завершения любого из потомков, в то время как во втором случае он ждет, пока завершатся все его потомки.

#include <signal.h>

main(argc, argv)

int argc; char *argv[];

{

int i, ret_val, ret_code;

if (argc >= 1) signal(SIGCLD, SIG_IGN); /* игнорировать гибель потомков */

for (i = 0; i < 15; i++) if (fork() == 0) {

/* процесс-потомок */

printf ( "процесс-потомок %x\n", getpidO); exit ( i) ;

}

ret_val = wait(&ret_code);

printf("wait ret_val %x ret_code %x\n", ret_val, ret_code);

}

Рисунок 7.17. Пример использования функции wait и игнорирования сигнала «гибель потомка»

В ранних версиях системы UNIX функции exit и wait не использовали и не рассматривали сигнал типа «гибель потомка». Вместо посылки сигнала функция exit возобновляла выполнение родительского процесса. Если родительский процесс при выполнении функции wait приостановился, он возобновляется, находит потомка, прекратившего существование, и возвращает управление. В противном случае возобновления не происходит; процесс-родитель обнаружит «погибшего» потомка при следующем обращении к функции wait. Точно так же и процесс начальной загрузки (init) может приостановиться, используя функцию wait, и завершающиеся по exit процессы будут возобновлять его, если он имеет усыновленных потомков, прекращающих существование.

В такой реализации функций exit и wait имеется одна нерешенная проблема, связанная с тем, что процессы, прекратившие существование, нельзя убирать из системы до тех пор, пока их родитель не исполнит функцию wait. Если процесс создал множество потомков, но так и не исполнил функцию wait, может произойти переполнение таблицы процессов из-за наличия потомков, прекративших существование с помощью функции exit. В качестве примера рассмотрим текст программы планировщика процессов, приведенный на Рисунке 7.18. Процесс производит считывание данных из файла стандартного ввода до тех пор, пока не будет обнаружен конец файла, создавая при каждом исполнении функции read нового потомка. Однако, процесс-родитель не дожидается завершения каждого потомка, поскольку он стремится запускать процессы на выполнение как можно быстрее, тем более, что может пройти довольно много времени, прежде чем процесс-потомок завершит свое выполнение. Если, обратившись к функции signal, процесс распорядился игнорировать сигналы типа «гибель потомка», ядро будет очищать записи, соответствующие прекратившим существование процессам, автоматически. Иначе в конечном итоге из-за таких процессов может произойти переполнение таблицы.

#include <signal.h>

main (argc, argv) { char buf[256] ;

if (argc != 1) signal(SIGCLD, SIG_IGN);

/* игнорировать гибель потомков */

while (read(0, buf, 256)) if (fork() == 0) {

/* здесь процесс-потомок обычно выполняет какие-то операции над буфером

(buf) */

exit ( 0) ;

}

}

Рисунок 7.18. Пример указания причины появления сигнала «гибель потомков»

7.5.1 Совместное использование процессами одних и тех же областей команд

Возможность совместного использования различными процессами одних и тех же областей команд позволяет экономить время, затрачиваемое на запуск программы с помощью функции ехес. Администраторы системы могут с помощью системной функции (и команды) chmod устанавливать для часто исполняемых файлов режим «sticky-bit», сущность которого заключается в следующем.

Когда процесс исполняет файл, для которого установлен режим «sticky-bit», ядро не освобождает область памяти, отведенную под команды файла, отсоединяя область от процесса во время выполнения функций exit или ехес, даже если значение счетчика ссылок на индекс становится равным Ø. Ядро оставляет область команд в первоначальном виде, при этом значение счетчика ссылок на индекс равно 1, пусть даже область не подключена больше ни к одному из процессов. Если же файл будет еще раз запущен на выполнение (уже другим процессом), ядро в таблице областей обнаружит запись, соответствующую области с командами файла. Процесс затратит на запуск файла меньше времени, так как ему не придется читать команды из файловой системы. Если команды файла все еще находятся в памяти, в их перемещении не будет необходимости; если же команды выгружены во внешнюю память, будет гораздо быстрее загрузить их из внешней памяти, чем из файловой системы (см. об этом в главе 9).

Ядро удаляет из таблицы областей записи, соответствующие областям с командами файла, для которого установлен режим «sticky-bit» (иными словами, когда область помечена как «неотъемлемая» часть файла или процесса), в следующих случаях:

1. Если процесс открыл файл для записи, в результате соответствующих операций содержимое файла изменится, при этом будет затронуто и содержимое области.

2. Если процесс изменил права доступа к файлу (chmod), отменив режим «sticky-bit», файл не должен оставаться в таблице областей.

3. Если процесс разорвал связь с файлом (unlink), он не сможет больше исполнять этот файл, поскольку у файла не будет точки входа в файловую систему; следовательно, и все остальные процессы не будут иметь доступа к записи в таблице областей, соответствующей файлу. Поскольку область с командами файла больше не используется, ядро может освободить ее вместе с остальными ресурсами, занимаемыми файлом.

4. Если процесс демонтирует файловую систему, файл перестает быть доступным и ни один из процессов не может его исполнить. В остальном — все как в предыдущем случае.

5. Если ядро использовало уже все пространство внешней памяти, отведенное под выгрузку задач, оно пытается освободить часть памяти за счет областей, имеющих пометку «sticky-bit», но не используемых в настоящий момент. Несмотря на то, что эти области могут вскоре понадобиться другим процессам, потребности ядра являются более срочными.

В первых двух случаях область команд с пометкой «sticky-bit» должна быть освобождена, поскольку она больше не отражает текущее состояние файла. В остальных случаях это делается из практических соображений. Конечно же ядро освобождает область только при том условии, что она не используется ни одним из выполняющихся процессов (счетчик ссылок на нее имеет нулевое значение); в противном случае это привело бы к аварийному завершению выполнения системных функций open, unlink и umount(случаи 1, 3 и 4, соответственно).

Если процесс запускает с помощью функции ехес самого себя, алгоритм выполнения функции несколько усложняется. По команде sh script командный процессор shell порождает новый процесс (новую ветвь), который инициирует запуск shell-a (с помощью функции ехес) и исполняет команды файла «script». Если процесс запускает самого себя и при этом его область команд допускает совместное использование, ядру придется следить за тем, чтобы при обращении ветвей процесса к индексам и областям не возникали взаимные блокировки. Иначе говоря, ядро не может, не снимая блокировки со «старой» области команд, попытаться заблокировать «новую» область, поскольку на самом деле это одна и та же область. Вместо этого ядро просто оставляет «старую» область команд присоединенной к процессу, так как в любом случае ей предстоит повторное использование.

Обычно процессы вызывают функцию ехес после функции fork; таким образом, во время выполнения функции fork процесс-потомок копирует адресное пространство своего родителя, но сбрасывает его во время выполнения функции ехес и по сравнению с родителем исполняет образ уже другой программы. Не было бы более естественным объединить две системные функции в одну, которая бы загружала программу и исполняла ее под видом нового процесса? Ричи высказал предположение, что возникновение fork & ехес как отдельных системных функций обязано тому, что при создании системы UNIX функция fork была добавлена к уже существующему образу ядра системы (см. [Ritchie 84а], стр.1584). Однако, разделение fork & ехес важно и с функциональной точки зрения, поскольку в этом случае процессы могут работать с дескрипторами файлов стандартного ввода-вывода независимо, повышая тем самым «элегантность» использования каналов. Пример, показывающий использование этой возможности, приводится в разделе 7.8.

7.6 КОД ИДЕНТИФИКАЦИИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПРОЦЕССА

Ядро связывает с процессом два кода идентификации пользователя, не зависящих от кода идентификации процесса: реальный (действительный) код идентификации пользователя и исполнительный код или setuid (от «set user ID» — установить код идентификации пользователя, под которым процесс будет исполняться). Реальный код идентифицирует пользователя, несущего ответственность за выполняющийся процесс. Исполнительный код используется для установки прав собственности на вновь создаваемые файлы, для проверки прав доступа к файлу и разрешения на посылку сигналов процессам через функцию kill. Процессы могут изменять исполнительный код, запуская с помощью функции ехес программу setuid или запуская функцию setuid в явном виде.

Программа setuid представляет собой исполняемый файл, имеющий в поле режима доступа установленный бит setuid. Когда процесс запускает программу setuid на выполнение, ядро записывает в поля, содержащие реальные коды идентификации, в таблице процессов и в пространстве процесса код идентификации владельца файла. Чтобы как-то различать эти поля, назовем одно из них, которое хранится в таблице процессов, сохраненным кодом идентификации пользователя. Рассмотрим пример, иллюстрирующий разницу в содержимом этих полей. Синтаксис вызова системной функции setuid:

setuid(uid)

где uid — новый код идентификации пользователя. Результат выполнения функции зависит от текущего значения реального кода идентификации. Если реальный код идентификации пользователя процесса, вызывающего функцию, указывает на суперпользователя, ядро записывает значение uid в поля, хранящие реальный и исполнительный коды идентификации, в таблице процессов и в пространстве процесса. Если это не так, ядро записывает uid в качестве значения исполнительного кода идентификации в пространстве процесса и то только в том случае, если значение uid равно значению реального кода или значению сохраненного кода. В противном случае функция возвращает вызывающему процессу ошибку. Процесс наследует реальный и исполнительный коды идентификации у своего родителя (в результате выполнения функции fork) и сохраняет их значения после вызова функции ехес.

На Рисунке 7.25 приведена программа, демонстрирующая использование функции setuid. Предположим, что исполняемый файл, полученный в результате трансляции исходного текста программы, имеет владельца с именем «тайгу» (код идентификации 8319) и установленный бит setuid; право его исполнения предоставлено всем пользователям. Допустим также, что пользователи «mjb» (код идентификации 5088) и «тайгу» являются владельцами файлов с теми же именами, каждый из которых доступен только для чтения и только своему владельцу. Во время исполнения программы пользователю «mjb» выводится следующая информация:

uid 5088 euid 8319

fdmjb -1 fdmaury 3

after setuid(5088): uid 5088 euid 5088

fdmjb 4 fdmaury -1

after setuid(8319): uid 5088 euid 8319

Системные функции getuid и geteuid возвращают значения реального и исполнительного кодов идентификации пользователей процесса, для пользователя «mjb» это, соответственно, 5088 и 8319. Поэтому процесс не может открыть файл «mjb» (ибо он имеет исполнительный код идентификации пользователя (8319), не разрешающий производить чтение файла), но может открыть файл «тайгу». После вызова функции setuid, в результате выполнения которой в поле исполнительного кода идентификации пользователя («mjb») заносится значение реального кода идентификации, на печать выводятся значения и того, и другого кода идентификации пользователя "mjb": оба равны 5088. Теперь процесс может открыть файл ,,mjb“, поскольку он исполняется под кодом идентификации пользователя, имеющего право на чтение из файла, но не может открыть файл ,,maury“. Наконец, после занесения в поле исполнительного кода идентификации значения, сохраненного функцией setuid (8319), на печать снова выводятся значения 5088 и 8319. Мы показали, таким образом, как с помощью программы setuid процесс может изменять значение кода идентификации пользователя, под которым он исполняется.

#include <fcntl.h>

main ()

{

int uid, euid, fdmjb, fdmaury;

uid = getuid(); /* получить реальный UID */

euid = geteuid(); /* получить исполнительный UID */

printf("uid %d euid %d\n", uid, euid);

fdmjb = open("mjb", O_RDONLY);

fdmaury = open("maury", O_RDONLY);

printf("fdmjb %d fdmaury %d\n", fdmjb, fdmaury); setuid(uid);

printf("after setuid(%d): uid %d euid %d\n", uid, getuidO, geteuidO); fdmjb = open("mjb", O_RDONLY); fdmaury = open("maury", O_RDONLY);

printf("fdmjb %d fdmaury %d\n", fdmjb, fdmaury); setuid(uid);

printf ("after setuid(%d): uid %d euid %d\n", euid, getuidO, geteuidO);

}

Рисунок 7.25. Пример выполнения программы setuid

Во время выполнения программы пользователем ,,maury“ на печать выводится следующая информация:

uid 8319 euid 8319

fdmjb -1 fdmaury 3

after setuid(8319): uid 8319 euid 8319

fdmjb -1 fdmaury 4

after setuid(8319): uid 8319 euid 8319

Реальный и исполнительный коды идентификации пользователя во время выполнения программы остаются равны 8319: процесс может открыть файл ,,maury“, но не может открыть файл ,,mjb“. Исполнительный код, хранящийся в пространстве процесса, занесен туда в результате последнего исполнения функции или программы setuid; только его значением определяются права доступа процесса к файлу. С помощью функции setuid исполнительному коду может быть присвоено значение сохраненного кода (из таблицы процессов), т. е. то значение, которое исполнительный код имел в самом начале.

Примером программы, использующей вызов системной функции setuid, может служить программа регистрации пользователей в системе (login). Параметром функции setuid при этом является код идентификации суперпользователя, таким образом, программа login исполняется под кодом суперпользователя из корня системы. Она запрашивает у пользователя различную информацию, например, имя и пароль, и если эта информация принимается системой, программа запускает функцию setuid, чтобы установить значения реального и исполнительного кодов идентификации в соответствии с информацией, поступившей от пользователя (при этом используются данные файла ,,/etc/passwd“). В заключение программа login инициирует запуск командного процессора shell, который будет исполняться под указанными пользовательскими кодами идентификации.

Примером setuid-программы является программа, реализующая команду mkdir. В разделе 5.8 уже говорилось о том, что создать каталог может только процесс, выполняющийся под управлением суперпользователя. Для того, чтобы предоставить возможность создания каталогов простым пользователям, команда mkdir была выполнена в виде setuid-программы, принадлежащей корню системы и имеющей права суперпользователя. На время исполнения команды mkdir процесс получает права суперпользователя, создает каталог, используя функцию mknod, и предоставляет права собственности и доступа к каталогу истинному пользователю процесса.

7.7 ИЗМЕНЕНИЕ РАЗМЕРА ПРОЦЕССА

С помощью системной функции brk процесс может увеличивать и уменьшать размер области данных. Синтаксис вызова функции:

brk(endds);

где endds — старший виртуальный адрес области данных процесса (адрес верхней границы). С другой стороны, пользователь может обратиться к функции следующим образом:

oldendds = sbrk(increment);

где oldendds — текущий адрес верхней границы области, increment — число байт, на которое изменяется значение oldendds в результате выполнения функции. Sbrk — это имя стандартной библиотечной подпрограммы на Си, вызывающей функцию brk. Если размер области данных процесса в результате выполнения функции увеличивается, вновь выделяемое пространство имеет виртуальные адреса, смежные с адресами увеличиваемой области; таким образом, виртуальное адресное пространство процесса расширяется. При этом ядро проверяет, не превышает ли новый размер процесса максимально-допустимое значение, принятое для него в системе, а также не накладывается ли новая область данных процесса на виртуальное адресное пространство, отведенное ранее для других целей (Рисунок 7.26). Если все в порядке, ядро запускает алгоритм growreg, присоединяя к области данных внешнюю память (например, таблицы страниц) и увеличивая значение поля, описывающего размер процесса. В системе с замещением страниц ядро также отводит под новую область пространство основной памяти и обнуляет его содержимое; если свободной памяти нет, ядро освобождает память путем выгрузки процесса (более подробно об этом мы поговорим в главе 9). Если с помощью функции brk процесс уменьшает размер области данных, ядро освобождает часть ранее выделенного адресного пространства; когда процесс попытается обратиться к данным по виртуальным адресам, принадлежащим освобожденному пространству, он столкнется с ошибкой адресации.

алгоритм brk

входная информация: новый адрес верхней границы области данных

выходная информация: старый адрес верхней границы области данных

{

заблокировать область данных процесса; if (размер области увеличивается) if (новый размер области имеет недопустимое значение) { снять блокировку с области;

return (ошибку);

}

изменить размер области (алгоритм growreg);

обнулить содержимое присоединяемого пространства;

снять блокировку с области данных;

}

Рисунок 7.26. Алгоритм выполнения функции brk

Когда стек задачи переполняется, ядро автоматически увеличивает его размер, выполняя алгоритм, похожий на алгоритм функции brk. Первоначально стек задачи имеет размер, достаточный для хранения параметров функции ехес, однако при выполнении процесса этот стек может переполниться. Переполнение стека приводит к ошибке адресации, свидетельствующей о попытке процесса обратиться к ячейке памяти за пределами отведенного адресного пространства. Ядро устанавливает причину возникновения ошибки, сравнивая текущее значение указателя вершины стека с размером области стека. При расширении области стека ядро использует точно такой же механизм, что и для области данных. На выходе из прерывания процесс имеет область стека необходимого для продолжения работы размера.

#include <signal.h>

char *cp;

int callno; main()

{

char * sbrk() ; extern catcher(); signal(SIGSEGV, catcher); cp = sbrk(0) ;

printf ("original brk value %u\n", cp) ; for (;;) *cp++ = 1;

}

catcher(signo) int signo;

{

callno++;

printf("caught sig %d %dth call at addr %u\n", signo, callno, cp);

sbrk(256);

signal(SIGSEGV, catcher);

}

original brk value 140924

caught sig 11 1th call at addr 141312

caught sig 11 2th call at addr 141312

caught sig 11 3th call at addr 143360

.. .(тот же адрес печатается до 10-го вызова подпрограммы sbrk)

caught sig 11 10th call at addr 143360

caught sig 11 11th call at addr 145408

.. .(тот же адрес печатается до 18-го вызова подпрограммы sbrk)

caught sig 11 18th call at addr 145408

caught sig 11 19th call at addr 145408

7.10 ВЫВОДЫ

В данной главе были рассмотрены системные функции, предназначенные для работы с контекстом процесса и для управления выполнением процесса. Системная функция fork создает новый процесс, копируя для него содержимое всех областей, подключенных к родительскому процессу. Особенность реализации функции fork состоит в том, что она выполняет инициализацию сохраненного регистрового контекста порожденного процесса, таким образом этот процесс начинает выполняться, не дожидаясь завершения функции, и уже в теле функции начинает осознавать свою предназначение как потомка. Все процессы завершают свое выполнение вызовом функции exit, которая отсоединяет области процесса и посылает его родителю сигнал „гибель потомка. Процесс-родитель может совместить момент продолжения своего выполнения с моментом завершения процесса-потомка, используя системную функцию wait. Системная функция ехес дает процессу возможность запускать на выполнение другие программы, накладывая содержимое исполняемого файла на свое адресное пространство. Ядро отсоединяет области, ранее занимаемые процессом, и назначает процессу новые области в соответствии с потребностями исполняемого файла. Совместное использование областей команд и наличие режима sticky-bit дают возможность более рационально использовать память и экономить время, затрачиваемое на подготовку к запуску программ. Простым пользователям предоставляется возможность получать привилегии других пользователей, даже суперпользователя, благодаря обращению к услугам системной функции setuid и setuid- программ. С помощью функции brk процесс может изменять размер своей области данных. Функция signal дает процессам возможность управлять своей реакцией на поступающие сигналы. При получении сигнала производится обращение к специальной функции обработки сигнала с внесением соответствующих изменений в стек задачи и в сохраненный регистровый контекст задачи. Процессы могут сами посылать сигналы, используя системную функцию kill, они могут также контролировать получение сигналов, предназначенных группе процессов, прибегая к услугам функции setpgrp.

Командный процессор shell и процесс начальной загрузки init используют стандартные обращения к системным функциям, производя набор операций, в других системах обычно выполняемых ядром. Shell интерпретирует команды пользователя, переназначает стандартные файлы ввода-вывода данных и выдачи ошибок, порождает процессы, организует каналы между порожденными процессами, синхронизирует свое выполнение с этими процессами и формирует коды, возвращаемые командами. Процесс init тоже порождает различные процессы, в частности, управляющие работой пользователя за терминалом. Когда такой процесс завершается, init может породить для выполнения той же самой функции еще один процесс, если это вытекает из информации файла /etc/inittab.

• 1. Запустите с терминала программу, приведенную на Рисунке 7.33. Переадресуйте стандартный вывод данных в файл и сравните результаты между собой.

main () {

printf("hello\n");

if (fork() == 0) printf("world\n");

}

Рисунок 7.33. Пример модуля, содержащего вызов функции fork и обращение к стандартному выводу

• 1. Разберитесь в механизме работы программы, приведенной на Рисунке 7.34, и сравните ее результаты с результатами программы на Рисунке 7.4.

#include <fcntl.h> int fdrd, fdwt; char c;

main(argc, argv)

int argc; char *argv[];

{

if (argc != 3) exit(l); f о r k () ;

if ((fdrd = open(argv[1], 0_RD0NLY)) == -1) exit(l);

if (((fdwt = creat(argv[2] , 0666)) == -1) && ((fdwt = open (argv[2] , 0_WR0NLY) ) == -1)) exit(1); rdwrt();

}

rdwrt() {

for (;;) {

if (read(fdrd, &c, 1) != 1) return;

write(fdwt, &c, 1);

• 1. Еще раз обратимся к программе, приведенной на Рисунке 7.5 и показывающей, как два процесса обмениваются сообщениями, используя спаренные каналы. Что произойдет, если они попытаются вести обмен сообщениями, используя один канал?

  2. Возможна ли потеря информации в случае, когда процесс получает несколько сигналов прежде чем ему предоставляется возможность отреагировать на них надлежащим образом? (Рассмотрите случай, когда процесс подсчитывает количество полученных сигналов о прерывании.) Есть ли необходимость в решении этой проблемы?

  3. Опишите механизм работы системной функции kill.

  4. Процесс в программе на Рисунке 7.35 принимает сигналы типа „гибель потомка и устанавливает функцию обработки сигналов в исходное состояние. Что происходит при выполнении программы?

#include <signal.h>

main () {

extern catcher(); signal(SIGCLD, catcher); if (fork)) == 0) exit () ;

/* пауза до момента получения сигнала */ pause ();

catcher() {

printf ( "процесс-родитель получил сигнал\п"); signal(SIGCLD, catcher);

}

• 1. Когда процесс получает сигналы определенного типа и не обрабатывает их, ядро дампирует образ процесса в том виде, который был у него в момент получения сигнала. Ядро создает в текущем каталоге процесса файл с именем „соге“ и копирует в него пространство процесса, области команд, данных и стека. Впоследствии пользователь может тщательно изучить дамп образа процесса с помощью стандартных средств отладки. Опишите алгоритм, которому на Ваш взгляд должно следовать ядро в процессе создания файла „соге“. Что нужно предпринять в том случае, если в текущем каталоге файл с таким именем уже существует? Как должно вести себя ядро, когда в одном и том же каталоге дампируют свои образы сразу несколько процессов?

  2. Еще раз обратимся к программе (Рисунок 7.12), описывающей, как один процесс забрасывает другой процесс сигналами, которые принимаются их адресатом. Подумайте, что произошло бы в том случае, если бы алгоритм обработки сигналов был переработан в любом из следующих направлений:

• • ядро не заменяет функцию обработки сигналов до тех пор, пока пользователь явно не потребует этого;

  • ядро заставляет процесс игнорировать сигналы до тех пор, пока пользователь не обратится к функции signal вновь.

• 1. Переработайте алгоритм обработки сигналов так, чтобы ядро автоматически перенастраивало процесс на игнорирование всех последующих поступлений сигналов по возвращении из функции, обрабатывающей их. Каким образом ядро может узнать о завершении функции обработки сигналов, выполняющейся в режиме задачи? Такого рода перенастройка приблизила бы нас к трактовке сигналов в системе BSD.

*10. Если процесс получает сигнал, находясь в состоянии приостанова во время выполнения системной функции с допускающим прерывания приоритетом, он выходит из функции по алгоритму longjump. Ядро производит необходимые установки для запуска функции обработки сигнала; когда процесс выйдет из функции обработки сигнала, в версии V это будет выглядеть так, словно он вернутся из системной функции с признаком ошибки (как бы прервав свое выполнение). В системе BSD системная функция в этом случае автоматически перезапускается. Каким образом можно реализовать этот момент в нашей системе?

11. В традиционной реализации команды mkdir для создания новой вершины в дереве каталогов используется системная функция mknod, после чего дважды вызывается системная функция link, привязывающая точки входа в каталог с именами и к новой вершине и к ее родительскому каталогу. Без этих трех операций каталог не будет иметь надлежащий формат. Что произойдет, если во время исполнения команды mkdir процесс получит сигнал? Что если

при этом будет получен сигнал SIGKILL, который процесс не распознает? Эту же проблему рассмотрите применительно к реализации системной функции mkdir.

12. Процесс проверяет наличие сигналов в моменты перехода в состояние приостанова и выхода из него (если в состоянии приостанова процесс находился с приоритетом, допускающим прерывания), а также в момент перехода в режим задачи из режима ядра по завершении исполнения системной функции или после обработки прерывания. Почему процесс не проверяет наличие сигналов в момент обращения к системной функции?

*13. Предположим, что после исполнения системной функции процесс готовится к возвращению в режим задачи и не обнаруживает ни одного необработанного сигнала. Сразу после этого ядро обрабатывает прерывание и посылает процессу сигнал. (Например, пользователем была нажата клавиша "break".) Что делает процесс после того, как ядро завершает обработку прерывания?

*14. Если процессу одновременно посылается несколько сигналов, ядро обрабатывает их в том порядке, в каком они перечислены в описании. Существуют три способа реагирования на получение сигнала — прием сигналов, завершение выполнения со сбросом на внешний носитель (дампированием) образа процесса в памяти и завершение выполнения без дампирования. Можно ли указать наилучший порядок обработки одновременно поступающих сигналов? Например, если процесс получает сигнал о выходе (вызывающий дампирование образа процесса в памяти) и сигнал о прерывании (выход без дампирования), то какой из этих сигналов имело бы смысл обработать первым?

• 1. Запомните новую системную функцию newpgrp(pid,ngrp); которая включает процесс с идентификатором pid в группу процессов с номером ngrp (устанавливает для процесса новую группу). Подумайте, для каких целей она может использоваться и какие опасности таит в себе ее вызов.

  2. Прокомментируйте следующее утверждение: по алгоритму wait процесс может приостановиться до наступления какого-либо события и это не отразилось бы на работе всей системы.

  3. Рассмотрим новую системную функцию

nowait(pid);

где pid — идентификатор процесса, являющегося потомком того процесса, который вызывает функцию. Вызывая функцию, процесс тем самым сообщает ядру о том, что он не собирается дожидаться завершения выполнения своего потомка, поэтому ядро может по окончании существования потомка сразу же очистить занимаемое им место в таблице процессов. Каким образом это реализуется на практике? Оцените достоинства новой функции и сравните ее использование с использованием сигналов типа "гибель потомка".

• 1. Загрузчик модулей на Си автоматически подключает к основному модулю начальную процедуру (startup), которая вызывает функцию main, принадлежащую программе пользователя. Если в пользовательской программе отсутствует вызов функции exit, процедура startup сама вызывает эту функцию при выходе из функции main. Что произошло бы в том случае, если бы и в процедуре startup отсутствовал вызов функции exit (из-за ошибки загрузчика)?

  2. Какую информацию получит процесс, выполняющий функцию wait, если его потомок запустит функцию exit без параметра? Имеется в виду, что процесс-потомок вызовет функцию в формате exit() вместо exit(n). Если программист постоянно использует вызов функции exit без параметра, то насколько предсказуемо значение, ожидаемое функцией wait? Докажите свой ответ.

  3. Объясните, что произойдет, если процесс, исполняющий программу на Рисунке 7.36 запустит с помощью функции ехес самого себя. Как в таком случае ядро сможет избежать возникновения тупиковых ситуаций, связанных с блокировкой индексов?

main(argc,argv) int argc; char *argv[];

{

execl (argv[0] , argv[0], 0);

Рисунок 7.36

• 1. По условию первым аргументом функции ехес является имя (последняя компонента имени пути поиска) исполняемого процессом файла. Что произойдет в результате выполнения программы, приведенной на Рисунке 7.37? Каков будет эффект, если в качестве файла "a.out" выступит загрузочный модуль, полученный в результате трансляции программы, приведенной на Рисунке 7.36?

main () {

if (fork() == 0) {

execl ( "а.out", 0);

printf ( "неудачное завершение функции exec\n");

Рисунок 7.37

• 1. Предположим, что в языке Си поддерживается новый тип данных "read-only" (только для чтения), причем процесс, пытающийся записать информацию в поле с этим типом, получает отказ системы защиты. Опишите реализацию этого момента. (Намек: сравните это понятие с понятием "разделяемая область команд".) В какие из алгоритмов ядра потребуется внести изменения? Какие еще объекты могут быть реализованы аналогичным с областью образом?

  2. Какие изменения имеют место в алгоритмах open, chmod, unlink и unmount при работе с файлами, для которых установлен режим "sticky-bit"? Какие действия, например, следует предпринять в отношении такого файла ядру, когда с файлом разрывается связь?

  3. Суперпользователь является единственным пользователем, имеющим право на запись в файл паролей "/etc/passwd", благодаря чему содержимое файла предохраняется от умышленной или случайной порчи. Программа passwd дает пользователям возможность изменять свой собственный пароль, защищая от изменений чужие записи. Каким образом она работает?

*25. Поясните, какая угроза безопасности хранения данных возникает, если setuid- программа не защищена от записи.

• 1. Выполните следующую последовательность команд, в которой "a.out" — имя исполняемого файла:

chmod 4777 a.out

chown root a.out

Команда chmod "включает" бит setuid (4 в 4777); пользователь "root" традиционно является суперпользователем. Может ли в результате выполнения этой последовательности произойти нарушение защиты информации?

• 1. Что произойдет в процессе выполнения программы, представленной на Рисунке 7.38? Поясните свой ответ.

main () {

char *endpt; char * sbrk() ; int brk () ; endpt = sbrk(0) ;

printf("endpt = %ud после sbrk\n", (int) endpt); while (endpt--) { if (brk(endpt) == -1) {

printf("brk с параметром %ud завершилась неудачно\п", endpt); exit () ;

Рисунок 7.38

• 1. Библиотечная подпрограмма malloc увеличивает область данных процесса с помощью функции brk, а подпрограмма free освобождает память, выделенную подпрограммой malloc. Синтаксис вызова подпрограмм:

ptr = malloc(size);

free(ptr);

где size — целое число без знака, обозначающее количество выделяемых байт памяти, a ptr — символьная ссылка на вновь выделенное пространство. Прежде чем появиться в качестве параметра в вызове подпрограммы free, указатель ptr должен быть возвращен подпрограммой malloc. Выполните эти подпрограммы.

• 1. Что произойдет в процессе выполнения программы, представленной на Рисунке 7.39? Сравните результаты выполнения этой программы с результатами, предусмотренными в системном описании.

main () {

int i; char *cp;

extern char *sbrk(); cp = sbrk(10);

for (i=0; i< 10; i++) *cp+ + = 'a' + i; sbrk (-10) ; cp = sbrk(10);

for (i =0; i < 10; i++) printf("char %d = %c\n", i, *cp++);

}

Рисунок 7.39. Пример программы, использующей подпрограмму sbrk

• 1. Каким образом командный процессор shell узнает о том, что файл исполняемый, когда для выполнения команды создает новый процесс? Если файл исполняемый, то как узнать, создан ли он в результате трансляции исходной программы или же представляет собой набор команд языка shell? В каком порядке следует выполнять проверку указанных условий?

  2. В командном языке shell символы ">>" используются для направления вывода данных в файл с указанной спецификацией, например, команда: run >>outfile открывает файл с именем "outfile" (а в случае отсутствия файла с таким именем создает его) и записывает в него данные. Напишите программу, в которой используется эта команда.

main () { exit ( 0) ; }

Рисунок 7.40

• 1. Процессор командного языка shell проверяет код, возвращаемый функцией exit, воспринимая нулевое значение как "истину", а любое другое значение как "ложь" (обратите внимание на несогласованность с языком Си). Предположим, что файл, исполняющий программу на Рисунке 7.40, имеет имя "truth". Поясните, что произойдет, когда shell будет исполнять следующий набор команд:

while truth do

truth&

done

• 1. Вопрос по Рисунку 7.29: В связи с чем возникает необходимость в создании процессов для конвейерной обработки двухкомпонентной команды в указанном порядке?

  2. Напишите более общую программу работы основного цикла процессора shell в части обработки каналов. Имеется в виду, что программа должна уметь обрабатывать случайное число каналов, указанных в командной строке.

  3. Переменная среды PATH описывает порядок, в котором shell'y следует просматривать каталоги в поисках исполняемых файлов. В библиотечных функциях execlp и execvp перечисленные в PATH каталоги присоединяются к именам файлов, кроме тех, которые начинаются с символа "/". Выполните эти функции.

*36. Для того, чтобы shell в поисках исполняемых файлов не обращался к текущему каталогу, суперпользователь должен задать переменную среды PATH. Какая угроза безопасности хранения данных может возникнуть, если shell попытается исполнить файлы из текущего каталога?

• 1. Каким образом shell обрабатывает команду cd (создать каталог)? Какие действия предпринимает shell в процессе обработки следующей командной строки: cd pathname&?

  2. Когда пользователь нажимает на клавиатуре терминала клавиши "delete" или "break", всем процессам, входящим в группу регистрационного shell'a, терминальный драйвер посылает сигнал о прерывании. Пользователь может иметь намерение остановить все процессы, порожденные shell'oM, без выхода из системы. Какие усовершенствования в связи с этим следует произвести в теле основного цикла программы shell (Рисунок 7.28)?

  3. С помощью команды nohup command_line пользователь может отменить действие сигналов о "зависании" и о завершении (quit) в отношении процессов, реализующих командную строку (command_line). Как эта команда будет обрабатываться в основном цикле программы shell?

  4. Рассмотрим набор команд языка shell:

nroff -mm bigfilel > biglout& nroff -mmbigfile2 > big2out

и вновь обратимся к основному циклу программы shell (Рисунок 7.28). Что произойдет, если выполнение первой команды nroff завершится раньше второй? Какие изменения следует внести в основной цикл программы shell на этот случай?

• 1. Часто во время выполнения из shell'a не протестированных программ появляется сообщение об ошибке следующего вида: "Bus error — core dumped" (Ошибка в магистрали - содержимое памяти сброшено на внешний носитель). Очевидно, что в программе выполняются какие-то недопустимые действия; откуда shell узнает о том, что ему нужно вывести сообщение об ошибке?

  2. Процессом 1 в системе может выступать только процесс init. Тем не менее, запустив процесс init, администратор системы может тем самым изменить состояние системы. Например, при загрузке система может войти в однопользовательский режим, означающий, что в системе активен только консольный терминал. Для того, чтобы перевести процесс init в состояние 2 (многопользовательский режим), администратор системы вводит с консоли команду init 2. Консольный shell порождает свое ответвление и запускает init. Что имело бы место в системе в том случае, если бы активен был только один процесс init?

  3. Формат записей в файле "/etc/inittab" допускает задание действия, связанного с каждым порождаемым процессом. Например, с getty-процессом связано действие "respawn" (возрождение), означающее, что процесс init должен возрождать getty-процесс, если последний прекращает существование. На практике, когда пользователь выходит из системы процесс init порождает новый getty-процесс, чтобы другой пользователь мог получить доступ к временно бездействующей терминальной линии. Каким образом это делает процесс init?

  4. Некоторые из алгоритмов ядра прибегают к просмотру таблицы процессов. Время поиска данных можно сократить, если использовать указатели на: родителя процесса, любого из потомков, другой процесс, имеющий того же родителя. Процесс обнаруживает всех своих потомков, следуя сначала за указателем на любого из потомков, а затем используя указатели на другие процессы, имеющие того же родителя (циклы недопустимы). Какие из алгоритмов выиграют от этого? Какие из алгоритмов нужно оставить без изменений?